指纹中化学成分免疫分析技术热点研究

张 婷 ，杨瑞琴

（1.中国人民公安大学刑事科学技术学院，北京 100038；2.中国刑事警察学院法化学系，沈阳 110854）

免疫分析技术是以抗原-抗体的特异性结合为基础的微量、快速、灵敏的分析技术，该技术在生命科学、药物分析、食品安全、公安工作等多种领域均有着广泛的应用[1]。免疫分析技术是医学、药学分析的基础，其应用有着悠久历史，该技术在食品安全中对农产品及家畜产品的农药残留以及非法添加物的快速筛选检测应用实例较多，而免疫分析技术在公安工作中的应用最多的是对涉嫌吸食毒品人员的尿液、唾液、血液等样品的毒品进行快速检测和现场检测来使用，通过免疫试纸条的快速检测可初步判定是否吸食毒品以及吸食毒品的种类。免疫分析技术在指纹学领域的研究和应用直到2007 年才首次有报道。

免疫分析技术与指纹的研究对接，主要是通过指纹上汗腺所分泌的有机化学成分，以及指纹在接触有机药物的过程中遗留在指纹皱褶处的药物残留成分，这些指纹中残留或分泌的物质可以通过免疫动物来获得特异性一抗，再通过免疫及荧光标记等方式获得标记的二抗，最后以抗原和抗体的特异性，来获得可供观察的荧光特征图像。免疫技术在指纹分析中面临的最大困难是指纹中有机化学成分含量甚微，有机成分不到1%[2]，其中可用于免疫分析的蛋白质成分含量更少，因此在指纹中化学成分的免疫分析技术完全不同于以往的免疫技术，免疫试剂的应用既要保证分析测试仪器的要求，又要保证尽量地不破坏指纹作为证据时原有形态特征。所以在已报道的指纹中化学成分免疫分析方法中，主要以指纹中毒品成分、违禁药物成分、氨基酸成分的免疫分析技术为主。

1 免疫纳米金材料分析指纹中单种毒品

Leggett 及其团队[3]在2007 年首次进行用可替宁（尼古丁的主要代谢产物）抗体功能化的金纳米材料进行指纹显现研究，主要用于同时检测吸烟者指纹中的可替宁成分和吸烟者的指纹图像。这种方法在实现个体识别的基础上，还可以对被检客体指纹中是否含有某一种毒品或其代谢产物进行判断。抗体与纳米金的结合使用了3-(2-吡啶二巯基)丙酸N-羟基琥珀酰亚胺酯（SPDP）这种异型双功能交联剂。结合原理见图1、图2。

在这个研究中，功能蛋白A 可以自结合于金纳米材料。抗可替宁抗体通过蛋白A 与纳米材料功能性结合，这种抗体金纳米结合物与载玻片上提取的一枚指纹共同孵育，孵育过程后将多余的一抗洗去，然后又加入一种荧光染料标记的二抗片段，用于荧光标记指纹。当这枚指纹用荧光立体显微镜成像时，对于吸烟者指纹中的沉积物可以得到高分辨图像。这种成像清晰充分地显示了指纹乳突花纹的细节特征，可用于个体识别。更高倍的放大可以显示花纹分支处的二级细节特征，像汗孔排列这样的三级特征均可清晰所见。

Leggett 等人的研究结果最重要的意义在于，在不吸烟的志愿者所提供的指纹嵴中是没有荧光图像的。这个结果表明抗体金纳米结合物是与指纹中出现的可替宁抗原特异性结合的。在此实验中如只使用抗可替宁抗体，而不使用金纳米材料结合的话，只能判断尼古丁代谢物的存在, 但没有办法获得清晰的、高质量的指纹图像，因此研究表明了纳米材料的使用在获得高分辨指纹图像时的重要性。该免疫技术与材料技术在指纹分析中的初步尝试，可以用于个体识别，还可以用于滥用药物检测和评价。随后的苏忠民等[4]则是在抗体制备和观测方法上做了部分改进，其团队利用巯基苯胺或巯基苯甲胺来修饰15nm 的金纳米颗粒，并与可替宁抗体结合来制备金纳米探针，取吸烟者的指纹与可替宁抗体金纳米探针进行孵育，孵育后去除多余的抗体后，并用银染技术显现指纹，在拉曼光谱仪上通过488nm 或514nm 的拉曼光谱分析，若有此光谱下的特征吸收则证明指纹为吸烟者所留。

图1 可替宁抗体标记纳米金示意图[3]Fig.1 Schematic representation of the cotinine’s antibodynanoparticle conjugates[3]

图2 金纳米材料检测潜指纹中毒品及其代谢物的示意图[3]。A1：纳米金与功能蛋白A 结合；A2：纳米金与一抗的结合物；A3：玻璃上吸烟者的潜指纹与抗体的孵育；A4：荧光标记二抗反应后所呈现的荧光变化。Fig.2 Schematic representation of the detection of drugs and drug metabolites in latent fingerprints using gold nanoparticles[3]. A1:gold nanoparticles coated with protein A; A2: binding a primary antibody to the A1 complex; A3: incubation of a smoker’s latent fingerprint deposited on a glass microscope slide with the addition of A2 complex; A4: image after secondary antibody fragment tagged with a fluorescent dye was incubated with A3 complex.

2 免疫纳米金材料分析指纹中氨基酸

近几年来，Spindler 等人[5]延伸了抗体金纳米材料的使用范围，进一步增强潜指纹的显现。指纹中包含有水、脂肪酸、盐和各种氨基酸，其中氨基酸的浓度能达到0.3～2.5mg/L，因此比较指纹代谢的可替宁等有机成分，氨基酸的浓度是理想的增强显现的化学成分。这个团队制备了L-氨基酸的抗体，并结合金纳米颗粒来检测非渗透客体表面的潜指纹中汗液的氨基酸，因此利用免疫技术不仅可以实现传统的指纹显现，而且该技术在对干燥和老化指纹的显现具有特殊能力。实验中，3 枚遗留在铝箔上的指纹分别被放置2 周、4 个月和12 个月，通过该技术仍能获得清晰的指纹图像。

3 免疫纳米磁材料分析指纹中单种毒品成分

磁性粉末用于法庭潜指纹显现可追溯到1960 年[6]，在实践工作中，磁性粉末应用磁性刷来显现不同客体上的潜指纹，不与指纹结合的磁性粉末可以通过磁性刷轻松地移除。免疫纳米磁性材料的研制和开发也是基于此能轻松移除未结合材料的特点，进而开发出单种毒品成分的抗体与磁性粉末相结合的功能性复合材料。有关指纹中毒品成分的分析，近年来所报道免疫纳米磁性材料结合物，充分利用了磁性粉末便于操作的优势和抗体特异性识别的特点来发挥指纹中毒品检测的作用。这种结合物的制造是通过商品化的铁磁性材料（1μm 直径）与功能化的蛋白A/G 结合，结合后的功能蛋白分子上可以进一步结合一抗、荧光标记二抗。工作原理如图3 所示。

铁氧化物是种超顺磁性材料，在指纹显现研究中，当铁氧化物表面结合上一类重组融合蛋白A 和蛋白G时，这种结合重组蛋白的铁磁性材料有更多的抗体结合结构域，可以与更多的鼠IgG 抗体亚类结合，因此这种免疫磁性纳米材料可以应用在更多种类的药物及其代谢物成分的检测中。这个方法分析过程包括最初的抗体与结合功能蛋白A/G 的磁性材料的结合产生抗体-磁性颗粒结合物。这种结合物在一枚指纹上孵育，然后加入荧光标记的二抗，荧光标记的磁性颗粒链接物（见图3 B1）。指纹用荧光立体显微镜观察。毒品及其毒品代谢物的成功检测是通过指纹的颜色改变来证明的，指纹从灰色（见图3 B3）到黄棕色（见图3 B4）。荧光标记的二抗直接放置在荧光灯下会发光产生荧光图像。P. Hazarika 等人[7-9]成功地制备了不同毒品成分的免疫纳米磁性材料，并分别检测了载玻片上捺印潜指纹中的四氢大麻酚（THC）、美沙酮、2-乙基-1，5-二甲基-3，3-二苯基哌啶（EDDP，美沙酮的主要代谢物）、苯甲酰爱岗宁（可卡因的主要代谢物）和可替宁（尼古丁的主要代谢物）。免疫纳米磁性材料提供了高质量的指纹图像。在案件中非吸毒人员的指纹，在与免疫纳米磁性材料孵育反应后，在白光照射下不发生颜色的变化（仍旧是原始的灰色），此外，在这样的指纹中即使加入荧光二抗，仍旧不显现指纹荧光图像，可作为阴性结果判定。

4 免疫磁性材料分析指纹中的混合毒品成分

图3 磁纳米材料检测潜指纹中毒品及其代谢物的示意图[7]。B1：磁性材料与功能蛋白A/G 的自结合；B2：磁性材料与一抗的结合；B3：玻璃上吸毒者的潜指纹与抗体的孵育；B4：白光照射下吸毒者的指纹发生颜色的改变，从无色变为棕黄色；B5：染料标记的荧光二抗加入后所呈现的荧光变化。Fig.3 Schematic representation of the detection of drugs and drug metabolites in latent fingerprints using magnetic nanoparticles.B1: particles coated with recombinant protein A/G; B2: binding a primary antibody to form antibody conjugates of the particles; B3:incubation of a latent fingerprint from a drug user deposited on a glass microscope slide; B4: the color changes of the fingerprint from colorless to yellowish-brown under white light illumination; B5: fluorescence changes shown after a secondary antibody fragment tagged with a fluorescent dye incubated with the fingerprint.

毒品滥用者时常会有多种混合药物滥用的行为，因此仅应用单种毒品抗体结合的磁性材料容易引发漏检。在多种免疫磁性材料应用于同一枚含毒品指纹的检测研究中，David A. Russell 等人将1 枚吸毒者的指纹人为机械地分成了两部分，先后应用不同的免疫纳米磁性材料用在各自的部分中。这种方法也成功地检测了吸食两种毒品者指纹中的残留代谢物，即海洛因的代谢物吗啡和可卡因的代谢物苯甲酰爱岗宁[10]。因为免疫磁性材料在现场操作中很容易移除未发生结合反应的多余的材料，所以该技术在现场应用具有潜在的巨大潜能。在最近的研究中，该团队又考察了强反射性、非渗透性白瓷表面的指纹，在此客体上潜指纹中的可替宁检测已经成功应用[11]。

5 免疫纳米材料分析指纹中混合成分

前面介绍的几种免疫材料都是一次检验一种物质成分，但如果目标物是含有多种成分的化合物，显然上面的操作过程比较费时。A. V. Dam 等人[12]改进了目标抗原，取得了重大进展，该研究中选择了人血清白蛋白和人汗腺抗菌肽，这两种蛋白成分是每个指纹汗孔中都分泌的成分，可以与多种抗体相结合，从而使得单枚指纹中多种成分可以同时通过免疫技术来检测。该研究对渗透性客体醋酸纤维素膜上的指纹和非渗透性客体载玻片的指纹中的成分进行成功标记，并在荧光显微镜下清晰成像，实验中同时提出了免疫纳米材料使用方法中应该注意的问题，如指纹的提取方法、抗体孵育时间、冲洗溶剂、冲洗时间、阳性实验确证等，从而保证免疫方法的重现性。指纹中的化学成分与饮食习惯、指纹形成时间、性别、毒品滥用情况等有重要的关联性。如饮食中的脱镁叶绿酸，性别中的荷尔蒙成分，毒品及其代谢物的成分，指纹形成时间中谷氨酸的成分，均可以制备成复合抗体与目标抗原进行特异性结合。

上述研究成果表明，应用免疫技术与纳米技术联合，制备的新型复合材料，不仅可以提高潜指纹图像的成像质量，还可以对指纹中的药物及其代谢物成分进行分析，免疫抗体作为指纹成分分析中的生物探针，对指纹中化学成分分析开拓了一个具有巨大潜力的新方向。这种生物探针具有灵敏性好，操作简便快速等特点，对指纹中沉积的微量化学及药物成分具有良好的分析性能。同时应用免疫纳米技术提取的指纹检材是涵盖形态与成分的直接证明性非常好的证据之一。但目前这些热点研究还处于实验室研究阶段，有关免疫方法的重现性和非特异性吸附的问题还存在。

相信在不远的将来，功能化免疫纳米材料—生物探针分析技术在指纹中药毒物的分析中将具有巨大潜力。适用于犯罪现场勘查，建立非破坏性的、微型化的、低成本的、快速的潜在指纹及其化学成分的检测分析系统，将有利于犯罪现场调查，有利于相关领域诸如运动员违禁药物的筛查分析和病人治疗诊断的预测等。

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