金纳米粒子在潜指纹显现中的应用

潜指纹是一种肉眼无法发现的指纹, 其所含物质成分复杂, 既有来自人体的汗腺分泌物也有手指所黏附的外源性的环境成分。汗腺分泌物也被称为潜指纹中内源性物质, 主要成分为尿素、肌酐、胆碱、乳酸、糖、尿酸、氨基酸、蛋白质和无机盐等, 这些组分约占汗液组成的1% [1]; 指纹中外源性物质与遗留者的生活环境和职业特点密切相关。利用潜指纹中所含物质的物理、化学和生物性质特点能够实现对潜指纹的显现和检测, 提供遗留者的身份信息和社会信息, 对案件侦破具有重要意义。在潜指纹显现技术当中, 金纳米粒子在微观形态、光学性质和生物相容性等方面表现出明显的优点, 因此在陈旧指纹和痕量级指纹显现应用中展现出了良好的显现效果。新型金纳米粒子显现潜指纹技术, 将现代仪器检验方法与传统指纹形态分析方法相结合, 不仅能得到潜指纹的形态学方面的一、二级信息, 而且能够清晰显现出乳突纹线的边缘形态、纹线宽窄、细点线、汗孔特征等指纹的组织学信息, 即三级结构信息。指纹的三级结构特征可作为指纹检验鉴定的辅助信息, 进行更灵敏、更清晰的指纹形态分析; 另外金纳米粒子还能够与外源性物质结合并发生特异性反应, 以此提高此类物质识别的准确度和灵敏度。

金纳米粒子粉末能够黏附于潜指纹中的油脂类物质表面, 从而显现出潜指纹的形态特征, 其显现效果取决于金纳米粒子的大小和形状。一般情况下, 粒径细小、均匀的球形粒子通常比较大粒径的金纳米粒子更容易附着, 指纹显现效果更好。Choi等[2]通过扫描电子显微镜（Scanning electron microscope, SEM）研究了金纳米粒子显现的指纹图像, 结果表明绝大多数金纳米粉末沉积在乳突纹线上, 犁沟部分几乎没有, 指纹图像的纹线更加清晰; 另外还可以得到指纹的二、三级结构, 能够提供更多的特征点信息, 实现指纹的同一认定, 这是传统粉末显现技术做不到的。与传统银粉、碳粉、磁性粉等比较, 金纳米粒子因细小而黏附得更均匀, 显现效果更佳。在玻璃、塑料片、油漆木头和铝片等不同客体上, 金纳米粒子粉末的显现效果普遍好于传统粉末材料。但是金纳米粒子粉末显现时会出现比较严重的团簇现象, 因此, 金纳米粒子目前只能用于在无孔客体表面的指纹显现。金纳米粒子粉末指纹显现技术存在的技术缺陷还需要进一步的研究。

金纳米粒子具有相对高的化学惰性和抗氧化性能, 在溶液中会与潜指纹中的特定物质发生选择性吸附或反应, 一般不会被环境污染, 故而能够作为显现潜指纹的中间介质。金纳米粒子液相沉积显现潜指纹技术应用客体范围较广, 且可以用于陈旧性指纹和其他常规技术难以显现的客体表面, 如聚苯乙烯包装、热敏纸和湿润表面等。但金纳米粒子液相沉积显现技术操作过程繁多, 需要对实验器材进行特殊的前处理步骤, 另外其显现效果存在对比度低等缺点, 因此, 金纳米粒子液相沉积显现技术的发展经过了多金属-单金属-荧光金属显现的演化过程。

2.1.1 多金属沉积显现

潜指纹的多金属沉积显现技术（multi-metal deposition, MMD）是由Saunders等[3]提出的, 该技术涉及两步过程。首先是将检材浸入pH值为2.5~2.8的纳米金水溶液中, 使胶体金纳米粒子附着于指纹纹线上。通常情况下, 显现得到的指纹呈淡粉色, 纹线与背景的对比度较小, 指纹图像几乎看不见; 随后利用银离子还原后吸附在金纳米粒子表面对纹线进行增强, 使承痕体上的纹印显影更加明显, 得到更加清晰的深灰色到黑色的指纹图像。在酸性条件下, 指纹中的蛋白质、氨基酸等物质发生质子化作用而带有正电, 带负电的金纳米粒子容易与其发生静电吸引, 从而能够选择性吸附在指纹残留物表面, 清晰显现潜指纹。另外, 金纳米粒子和许多氨基酸表面都呈现出憎水性质, 因此静电引力和憎水作用共同促进了金纳米粒子与蛋白质分子的吸附, 而溶液pH值较小时静电吸引是纳米金粒子沉积的主要原因, 因此溶液的pH值变化对金纳米粒子在嵴线上的吸附影响较为明显。虽然, MMD应用客体范围较广, 且有利于陈旧性指纹等疑难性指纹的显现, 但存在工作溶液pH值要求严格、操作过程过于复杂, 且显现的图像与深色、多色背景的对比度低等问题。

2.1.2 单金属沉积显现

单金属沉积技术（Single-Metal Deposition, SMD）是在MMD的基础上发展的另一种潜指纹显现技术。该技术通过增加金纳米粒子粒径的方法代替了MMD中的银增强步骤, 使潜指纹表面形成可以明显观察到的“ 分子线” , 从而增强指纹纹线, 显现出潜指纹。Stauffer等[4]最先报道了用羟胺/氯化金取代多金属沉积中的对苯二酚/醋酸银试剂进行了SMD的实验, 并以较低的成本获得了与MMD相同的指纹质量。Gao等[5]利用葡萄糖为稳定剂制备金纳米粒子, 在pH值为2.5~5.0较宽范围内, 通过一步就显现出潜指纹, 并将该显现技术称为“ 单一金属纳米颗粒沉积法（Single Metal Nanoparticle Deposition, SND）” , 但该技术只能应用于无孔表面。2016年Newland等[6]通过改变金纳米粒子的制备方法、优化实验条件, 如温度、搅拌速率等对SMD进行了优化改进, 发现在室温条件下, 当金纳米粒子的直径为15~21 nm、搅拌速率大约为50 r/min时能获得最佳的显影效果及清晰的对比度, 此次改进的技术称为“ 单金属沉积Ⅱ （SMDⅡ ）” 。与MMD相比, 虽然SMD并没有提高潜指纹显现的灵敏度、客体适用范围, 也没有改变玻璃器材需要硅烷化处理、实验条件严格和步骤复杂等缺点, 但是SMD显现潜指纹过程中仅使用了一种金属试剂, 减少了反应溶液以及试剂的用量, 并且使用了具有更长保质期的试剂, 因此从根本上简化了MMD显现潜指纹的步骤, 降低了实验成本, 是一种非常有效的改进方案。

2.1.3 荧光金属沉积显现

金纳米粒子通过连接潜指纹与基态物质, 作为沉积位点在荧光金属沉积潜指纹显现技术中发挥作用。与SMD、MMD的反应机制一样, 荧光金属沉积技术首先是将胶体金纳米粒子沉积到潜指纹上, 显现出微弱的指纹纹线; 再增强指纹显现, 提高对比度, 得到更多的细节特征。与SMD、MMD不同的是, 荧光金属沉积技术的增强过程是金纳米粒子作为沉积位点将潜指纹与荧光物质连接起来, 得到指纹的荧光图像。这种荧光图像可以有效地避免杂色背景和深色背景的干扰, 从而高对比度地显现潜指纹。Becue等[7]选择二甲胺硼（DMAB）为中间反应体, 使ZnO纳米结构沉积到金上, 通过紫外光激发在透明聚丙烯、黑色聚乙烯袋、黑色聚苯乙烯和铝箔表面显现潜指纹, 通过处理, 可显现出2个月的陈旧性指纹, 还可以在铝箔表面反向显现潜指纹, 并比较了在相同表面上MMD成像和紫外光激发下的荧光成像图, 后者显现更佳。ZnO纳米结构具有光致发光的性质, 在300~400 nm的紫外光照射下, 可观察到580 nm的可见光, 属于绿色可见光范围。但此实验只能在非多孔表面进行, 应用的范围受到了很大的限制。

功能化金纳米粒子显现潜指纹技术是MMD技术的延伸和发展。金纳米粒子以中间介质的形式出现, 用来连接潜指纹中的残留成分和具有特殊性质的物质, 如染料分子、抗原抗体分子等。经过功能化修饰的金纳米粒子显现不同颜色或有免疫性, 从而简化操作的步骤、提高对比度和灵敏度; 同时, 免疫识别技术还可以通过靶向性检测外源性物质, 特异性识别个人的生活习惯和药物使用等情况。

2.2.1 环糊精功能化金纳米粒子

Becue等[8]使用硫醇基环糊精对金纳米粒子进行功能化修饰, 让其与染料分子酸性兰25在溶液中发生特异性结合后沉积在潜指纹上, 在非漂白纸、低密度聚乙烯和聚丙烯客体表面均得到深蓝色的指纹, 提高了与透明度较大背景的对比度。此外, 环糊精外壳亲油、疏水, 内壳亲水的性质成为金纳米粒子结合其他染料分子的优势, 能更好地显现潜指纹。但金纳米粒子在水溶液中, 作为能量的受体, 会使荧光标记物的荧光发生淬灭现象。因此, 无法利用荧光性质来显现潜指纹。2017年, 周静丹等[9]通过控制碳量子点（CDs）的合成过程, 提出了两种荧光淬灭的方法, 弥补了金纳米粒子在溶液中荧光淬灭的技术缺陷：第一种是通过调控微波辐射法避免碳量子点的完全碳化, 进而达到固态发荧光的特性; 第二种是以高分子化合物为原料, 通过水热法合成碳量子点。虽然, 金纳米粒子荧光显现潜指纹技术的灵敏度越来越高, 适用范围相应的也有所扩大, 但一直存在背景信号干扰、技术条件严格等问题, 未能应用于实践。

2.2.2 免疫技术

金纳米粒子可以广泛应用于免疫标记, 对细胞、生物大分子以及生物组织进行成像分析。Leggett等[10]利用抗可替宁对金纳米粒子进行功能化修饰, 检测汗液中尼古丁的特定代谢物可替宁, 用荧光标记抗体片段, 获得潜指纹的荧光图像, 其图像可以清晰地看到指纹的二、三级结构, 同时通过靶向性结合识别个人信息, 获取更多线索。此外, 为了促进蛋白质在金纳米粒子上的结合, 他将金黄色葡萄球菌的细胞壁用Nsuccinimidyl 3-(2-pyridyldithio)propionate(SPDP)标记。Lernnard等[11]采用相同的办法检测出潜指纹中的外源性物质L-氨基酸。虽然, 金纳米粒子生化显现潜指纹的最终敏感性还未建立, 但为以后在潜指纹显现中特异性检测出更多种类的抗原提供了参考和依据。

新型潜指纹显现技术有操作步骤简单、灵敏度高以及选择性多等优点, 更为重要的是大多都无损检材。此外, 外源性物质的检测不再局限于荧光标记的生化显现, 而是利用操作简单的光谱和质谱成像等无标记技术显现潜指纹并特异性检测外源性物质, 从而得到更多的信息, 如：个人习惯、药物滥用情况以及接触过的物质、现场特点等, 从而为案件侦破提供更多的初步判断线索。金纳米粒子通过表现不同的性质, 如电化学、表面等离子体共振、激光解吸电离等在新型潜指纹显现技术中发挥重要的作用。

金纳米粒子具有增强电极导电性和促进电子转移的性质, 通过空间选择性沉积金纳米粒子可高分辨率地显现导电表面上的潜指纹, 成像后的潜指纹可以清晰地显现出指纹的二、三级结构, 此过程称为“ 电化学沉积金纳米粒子显现潜指纹” 。电化学技术显现潜指纹是一种简单、快速、无污染、低成本的显现方法, 在痕量级指纹检测和高分辨率图像两方面尤为突出。Qin等[12]在传统的三电极结构（潜指纹的样品作为工作电极, 铂作为计数电极, 银为准参比电极）中, 将潜指纹样品用HAuCl4浸入, 再利用扫描电化学显微镜(Scanning Electrochemical Microscopy, SECM)对客体表面进行扫描。指纹残留物会阻碍电流的产生, 而导电表面的HAuCl4会发生氧化还原反应, 生成的金纳米粒子沉积后产生微电流, 所以指纹残留物部分与背景表面会形成对比, 从而能够反相显现出潜指纹。SECM对基体表面电化学反应速率变化小, 因此大大提高了实验的灵敏度; 同时, 也能对金或银结合的蛋白质成像, 故可高灵敏地追踪客体表面潜指纹的形貌特征。该研究表明无论承痕体表面光滑或者粗糙, 还是干净或有污染, 该方法都能有效显现潜指纹。为了提高指纹图像的对比度, 该研究还对电沉积的时间进行了优化; 同时在实验完成后, 用氮气对实验样品进行了干燥, 采用数码照相机拍照固定、场发射扫描电子显微镜（Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM）等方法对金纳米粒子的形态和分布状况进行了进一步的研究。Zhang等[13]是最早利用电化学显现方法进行潜指纹研究的, 他们在MMD潜指纹成像基础上, 利用SECM将金还原的银通过扫描探针重新氧化, 在反馈模式下进行电化学成像, 得到二、三级结构更加清晰的潜指纹图像。金纳米粒子电化学沉积显现潜指纹技术只适用于潮湿及导电表面, 针对陈旧性指纹和不同的电沉积材料及底物人们也进行了一系列的研究[14, 15, 16]。金纳米粒子为电化学法显现潜指纹的发展研究提供了可能性, 其发展不再局限于组织结构上, 同时还包括潜指纹中隐藏的生物信息。许林茹[17]制作了一套电化学发光成像系统, 通过控制电极表面的电化学发光反应实现了对潜指纹的正相成像和反相成像。反相成像中拓宽了承载客体的范围, 并研制出了其他的电化学发光体系; 正相成像中可高效显现痕量级的指纹。此外, 还将电化学技术与酶联免疫分析技术相结合, 检测出存在于潜指纹表面的汗腺抗菌肽、人表皮生长因子和溶酶菌等目标成分。魏千惠[18]采用不同的电化学发光体系实现了多种客体表面的潜指纹显现。电化学法显现潜指纹的优点在于灵敏度高、反应速度快、可控性高、与其他技术兼容性高等, 但该技术目前只适用于导电表面, 且对外源性物质的检测仅停留在特定目标物上, 而对未知物质还不能进行分析。

金纳米粒子具有表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance Band, SPRB)性质, 而这种性质使得金纳米粒子对光不仅有很强的吸收作用, 而且还有很强的散射作用, 通过显微镜和散射光谱仪观察金纳米粒子的分布和光谱谱带, 可得到潜指纹的物理二维图像（空间结构）和物质成分成像（分子结构）的双重成像。金纳米粒子SPRB吸收带的性质会随着其颗粒大小和形状的差异而不同, 会产生蓝色和粉红色两种对比色。Tang等[19]在真空条件下, 将金纳米粒子通过溅射的方法沉积到潜指纹上, 用透射电镜观察金纳米粒子的分布、尺寸和形貌, 发现纹线区域的金纳米粒子较小（约为3 nm）且呈假球形; “ 背景” 区域的金纳米粒子的尺寸至少是纹线区域的三倍（约为10 nm）且呈不规则形状, 纹线与“ 背景” 区域分别呈现具有强对比度的粉红色与蓝色, 从而清晰地显现了潜指纹。相比可见光谱, 金纳米粒子显现潜指纹还用到其强的散射作用。金纳米粒子的结合物通过对光子能量的吸收, 得到局域表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR）光谱, 而根据峰移动情况可判断金纳米粒子表面的分子情况。2015年Li等[20]制备了50 nm的金纳米粒子作为造影剂, 在高分辨率暗视场显微（Dark-field microscope, DFM）下显现潜指纹, 不仅能观察到指纹的三级结构, 还可特异性识别出黑索金爆炸物。当潜指纹中没有黑索金时, 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）将Cu2+还原为Cu单质沉积在金表面, LSPR散射光谱红移; 潜指纹中存在黑索金时, 黑索金与NADH发生反应, 而Cu2+的反应受阻, 金纳米粒子等离子共振减弱, 红移消失。此方法不受TNT、DNT、硝酸苯等的影响, 可对黑索金高选择性识别。LSPR不仅可以清晰地显现指纹的二、三级特征并特异性识别外源性物质, 而且还可以做到无损检材。但此方法不适用于具有较强荧光性能的物体表面。荧光性质会引起对比度降低、显现效果变差等不利影响。在金纳米粒子潜指纹显现中还用到一种散射光谱拉曼光谱。利用拉曼光谱显现潜指纹时, 潜指纹中大多数物质的拉曼信号特别弱, 若遇到发光的物质还会遮盖弱的拉曼信号。将金纳米粒子作为衬底, 让其他物质处于附近或黏附于其上能够增强拉曼光谱信号, 从而增强潜指纹的化学信号（外源性物质）和空间信号（指纹纹路）, 清晰地显现潜指纹。Li等[21]用二甲基甲酰胺（DFM）为溶剂, 制备了金纳米粒子的结合物（Au-S）用于潜指纹显现, 得到了潜指纹的荧光图像。当潜指纹中存在可卡因时, 其荧光成像由绿色变为红色, 高分辨率地显现出了潜指纹, 同时还能够特异性识别可卡因。2015年, Jing等[22]采用低速离心饱和蔗糖溶液和600℃下煅烧2 h的方法成功地制备了超高纯硅藻土, 并对其进行氨基修饰后作为模板剂, 采用自组装的方法、以柠檬酸盐为稳定剂制备出18 nm和32 nm的金纳米粒子, 然后以罗丹明6G（R6G）为探针分子, 通过静电相互作用跟踪其表面形貌, 进而控制实验和参数探索; 随后将涂覆了这两种纳米金颗粒的硅藻土进行压片, 制备出两种纽扣状便携式模板进行了表面增强拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS）检测, 验证其增强因子（Enhancing factors, EFs）、SERS重现性和稳定性。研究显示以32 nm金纳米颗粒制成的便携式模板具有较高的EF, 并成功地应用于潜指纹汗液中的痕量化学成分的SERS分析。SERS不仅无损检材、灵敏度高、特异性强、与其他技术互补, 而且对二次检测的潜指纹仍然有效。

金纳米粒子能促进吸附在它上面或周围的物质进行有效解吸/离子化, 因此能够以此作为质谱成像技术的有效前处理介质来显现潜指纹。通过溅射的方法将金纳米粒子吸附在潜指纹上, 从而促进潜指纹的内、外源性物质的解吸/离子化, 并对潜指纹进行成像显现。显现的潜指纹能得到光学结构和分子层面的双重成像, 因此能够解决重叠指纹的显现和有害物质检测等疑难问题。Tang等[19]利用基质辅助激光解吸电离质谱（Matrix Assisted Laser Desorption Ionization-Mass Spectrmetry, MALDI-MS）技术, 在配备有氮分子激光器的MALDI-MS上对塑料、玻璃和纸上的潜指纹进行了研究, 不仅能够显现出潜指纹的组织形态, 同时, 还可检测分析出潜指纹中的内源性和外源性物质。通过溅射的金纳米粒子可增强光学图像的对比度。在真空、溅射距离为53 mm, 溅射电流为30 mA条件下, 金纳米粒子溅射到潜指纹上的最佳溅射时间为10 s; 通过质谱图可以直接分析潜指纹中的外源性物质, 以不同外源性物质为检测对象, 能够得到多个潜指纹的光学图像。MALDI-MS技术通过分析不同的外源性物质, 得到不同的谱带, 从而显示出不同谱带的潜指纹纹线图像, 解决重叠指纹的分离问题。质谱成像技术显现潜指纹无需荧光标记, 是一种特异性强的潜指纹显现技术。

现代潜指纹显现技术在获得指纹纹线即二维图像分布的同时, 向多信息、多通道的方向发展。金纳米粒子可以因其尺寸、形状及表面物质的不同而具有不同的性质, 因而在潜指纹显现中表现出高灵敏度和高选择性; 同时, 还能通过特异性检测外源性物质, 得到确切的侦破信息, 从而能够为侦查破案提供更多初步的判断依据。从多金属沉积技术、功能化金纳米粒子技术, 再到新型的技术应用, 金纳米粒子显现潜指纹技术展现出了明显的发展潜力。同时, 将金纳米粒子与现代仪器分析方法结合起来, 会使潜指纹显现更加简单、快速和高效。