纳米二氧化钛荧光粉末显现效果实验研究

王婉婷，　赵雅彬，　罗亚平

(中国人民公安大学， 北京　100038)

纳米二氧化钛荧光粉末显现效果实验研究

王婉婷，赵雅彬，罗亚平

(中国人民公安大学， 北京100038)

摘要目的 对纳米二氧化钛荧光粉末、黑色磁性指纹粉末和红色荧光指纹粉末显现非渗透性客体上潜在手印进行比较研究,探讨新显现方法的优势及不足。方法 使用3种指纹粉末分别显现玻璃、塑料片、透明胶带滑面、塑料包装、彩色易拉罐5种客体上遗留时间为1 d、4 d、7 d、15 d和30 d的潜在手印，拍照记录并统计分析显现结果。结果 3种指纹粉末中，黑色磁性指纹粉末显现效果最差，纳米二氧化钛荧光粉末和红色荧光指纹粉末的显现效果因检材不同而略有差异。结论 纳米二氧化钛荧光粉末在多种非渗透性客体上的手印显出数量及质量均强于黑色磁性指纹粉末和红色荧光指纹粉末，具有背景污染少，粉末组分安全、环保等优势。

关键词磁性粉末； 荧光粉末； 二氧化钛； 手印显现

0引言

粉末法在手印显现中的应用起源于19世纪末[1]。粉末显现是基于粉末与手印物质中的汗液或油脂等成分的亲和力，当粉末与手印接触时，被吸附在手印上，从而使潜在手印染色或产生荧光[2]。一个多世纪以来，各国的指纹学专家已经研制出了各类不同组分的粉末用于显现乳突纹线。不同类型的指纹粉末，由于粉末的颗粒结构及组成物质等方面的差异，表现出不同的适用范围及显现能力。磁性指纹粉末和各色荧光指纹粉末是目前实际工作中常使用的粉末类型。颗粒状的磁性指纹粉末对陈旧手印灵敏度不高，且在复杂背景上不能获得良好的反差；而一些荧光指纹粉末极易在空气中飘浮，粉末中的一些组分可能会危害使用者身体健康。为解决上述问题，各国研究人员一直致力于寻找安全、环保，且能有效、稳定地显现潜在手印的新材料。

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围内或是由它们作为基本单元所构成的材料[3]。纳米微粒具有与常规粒子不同的磁、热、光敏感特性及表面稳定性。这些结构及特性吸引了国内外法庭科学家的广泛关注。目前世界各国研究比较集中的是胶体金、金属量子点等水溶性纳米材料[4-6]，但这类研究大多还处于实验室研究阶段。实际应用较多的是纳米二氧化钛，它现已被国内外研究人员证实可用于深色非渗透性客体上多种类型手印的显现[7-9]。本课题组以苝二酰亚胺化合物为荧光染料，将其与纳米二氧化钛结合，制备出了一种具有荧光效果的新型纳米二氧化钛粉末，并通过实验证明荧光纳米二氧化钛作为一种新型粉末，能有效显现非渗透性客体表面的潜在手印，显现出的手印在蓝绿光激发下具有较强的荧光效果，纹线清晰、连贯，可以减轻复杂背景对手印纹线的干扰。本研究拟通过实验对比黑色磁性指纹粉末、红色荧光指纹粉末和纳米二氧化钛荧光粉末的适用范围及显现效果，并尝试从粉末结构和性质等多方面对此三类粉末进行比较，探讨新显现方法的优势及不足。

1实验

1.1　实验材料及器材

二氧化钛、N,N′-二(1-己基庚基)-3,4∶9,10-苝四羧酸二酰亚胺、二氯甲烷、黑色磁性指纹粉末、磁性指纹刷、红色荧光指纹粉末、羽毛指纹刷、烧杯、量筒、玻璃棒、药匙、研钵、电子天平、恒温烘干箱、超声清洗机、玻璃、塑料片、透明胶带、彩色塑料包装、灰毛鼠指纹刷、多波段光源、数码相机、Quanta 650FEG场发射扫描电子显微镜。

1.2　纳米二氧化钛荧光粉末的制备

用电子天平称取1 g N,N′-二(1-己基庚基)-3,4∶9,10-苝四羧酸二酰亚胺溶于500 mL二氯甲烷中，用玻璃棒不断搅拌使其充分溶解。称取50 g二氧化钛粉末加入溶有染料的烧杯中，将烧杯置于超声清洗机中，室温下超声震荡数小时使二氧化钛粉末与染料充分混合。混合均匀后将烧杯放入恒温烘干箱中，在65 ℃标准大气压下烘干。烘干后的产物使用玛瑙研钵反复研磨直到获得粒度合适的粉末。

1.3　样本的制作

为充分考察纳米二氧化钛在不同客体上的显现能力，本实验选用3种浅色客体(玻璃、塑料片、透明胶带滑面)及两种彩色客体(塑料包装、彩色易拉罐)作为本实验的承载客体。

将5种客体均裁剪成长宽适中的条带。随机选取10名志愿者(7名男性、3名女性)，双手不用清洗，在额头或鼻翼两侧触摸后分别沿每条检材的中线连续捺印五枚手印。每名志愿者在每种检材上分别捺印两组，用于纳米二氧化钛荧光粉末分别和黑色磁性指纹粉末、红色荧光指纹粉末的对比实验。即每组对比实验共获得相同客体，相同遗留时间的手印50枚。按此方法制作遗留时间为1 d、4 d、7 d、15 d和30 d的手印样本。

1.4　操作方法

显现时将实验样本沿中轴线剪开，左半部分使用纳米二化钛荧光粉末刷显，右半部分分别使用黑色磁性指纹粉末、红色荧光指纹粉末刷显。刷显时用毛刷蘸取少量粉末，垂直在物面上轻轻扫动，有纹线显出后顺其走向刷显。手印显出后用毛刷将被显物面上多余的粉末清扫干净。使用磁性刷时注意不要让磁性刷的边缘触碰到被显物面。

使用黑色磁性指纹粉末显现出的手印在自然光下用数码相机拍照固定。使用纳米二氧化钛荧光粉末及红色荧光指纹粉末显现出的手印用数码相机在多波段光源515 nm激发下透过橙色滤光片拍照固定。

利用Quanta 650FEG场发射扫描电子显微镜对纳米二氧化钛荧光粉末、黑色磁性指纹粉末和红色荧光指纹粉末的粉末颗粒进行表征。

2实验结果与分析

2.1　粉末结构及性质比较

黑色磁性指纹粉末由载体粉末(常用铁粉)和配粉按一定比例混合而成，需配合磁性粉刷使用。直接观察黑色磁性粉末为细小的黑色颗粒，使用场发射扫描电子显微镜放大10 000倍(见图1)后可观察到，黑色磁性指纹粉末为片状堆叠在一起的不规则颗粒。研究表明，相对于颗粒状粉末，片状粉末与手印残留物的接触面积更大，显现效果更好，因而现在使用的磁性粉末大多为磁性薄片。磁性粉刷的使用避免了粉末在空中的飘散，且多余的粉末可用磁性粉刷回收。使用磁性粉刷显出的痕迹可使用湿布擦除，便于清理。

荧光指纹粉末主要由具有荧光特性的有机化合物组成。目前，常用于显现手印的有机化合物有吖啶黄、吖啶橙、香豆素6、结晶紫、尼罗蓝、罗丹明6G和罗丹明B[1]。本实验中使用的红色荧光指纹粉末，粉末均匀、细腻，在自然光下为红色，在蓝绿光激发下，透过橙色滤光片呈橙黄色荧光。放大(见图2)后可观察到，粉末由直径1~5 μm的球形颗粒组成。颗粒形状较规则，分散性较好。红色荧光指纹粉末应配合羽毛指纹刷使用。由于粉末微粒质量较轻、使用时会在空中飘浮形成尘埃云，易被操作人员吸入而影响健康。此外，红色荧光指纹粉末易被多种载体附着，污染承载客体。使用红色荧光指纹粉末显出的痕迹及多余的粉末需用湿布反复擦拭多次才可清洗干净。

图2　红色荧光指纹粉末扫描电镜图　

本实验中使用的纳米二氧化钛荧光粉末是以纳米二氧化钛为基体，选择安全无毒的苝二酰亚胺类化合物作为荧光染料，将两者按照一定的质量比例制备而成。所形成的纳米二氧化钛荧光粉末在自然光下为粉红色粉末状颗粒，使用蓝绿光激光透过橙色滤光片可显现出明亮的橙红色荧光。使用场发射电子显微镜放大(见图3)后可观察到粉末颗粒为粒径100~200 nm的球形微粒组成的团聚体，颗粒尺寸远小于黑色磁性指纹粉末和红色荧光指纹粉末，通过电镜下的结构可以看出，有机荧光分子与纳米二氧化钛以一定的方式相结合。随着粒径的下降，其比表面积大幅增加，因而粉末颗粒对手印残留物的吸附力增加，纳米级的粒径可以使粉末选择性地吸附于手印纹线上，而对承载客体的吸附力下降，在提高粉末显现灵敏度的同时背景粘粉、滞粉少。纳米二氧化钛荧光粉末可使用灰毛鼠刷刷显，由于颗粒团聚在一起且粉末比重较大，粉末在空中的飘浮性较差，很容易沉降下来。经其显现出的痕迹通常可用湿布擦除，不会破坏承载客体。

图3　纳米二氧化钛荧光粉末扫描电镜图　

2.2　纳米二氧化钛荧光粉末与黑色磁性粉末显现效果比较

将纳米二氧化钛荧光粉末和黑色磁性指纹粉末在各种客体上显现出的手印数量及其中满足鉴定条件(具有8个以上细节特征)的手印数量进行统计，结果见表1，两种粉末的显现效果见图4。

图4　纳米二氧化钛荧光粉末和黑色磁性指纹粉末显现效果比较：(a)玻璃(b)透明胶带滑面(c)塑料片(d)易拉罐(e)塑料包装；每枚手印左半部分用纳米二氧化钛荧光粉末显现，右半部分用黑色磁性指纹粉末显现；手印遗留时间30天　

纳米二氧化钛荧光粉末和黑色磁性指纹粉末对于玻璃上潜在手印均有较好的显现效果。随着遗留时间的延长，纳米二氧化钛荧光粉末仍具有较高的灵敏度，可显现出78%纹线连贯、细节特征清晰的手印，而手印遗留物质的不断蒸发、干涸降低了手印对黑色磁性指纹粉末的吸附能力，手印纹线与背景反差下降。对于透明胶带滑面上的潜在手印，纳米二氧化钛荧光粉末显出手印数量始终多于黑色磁性指纹粉末。塑料片上的新鲜手印可使用纳米二氧化钛荧光粉末获得清晰细腻的纹线特征，但纳米二氧化钛荧光粉末和黑色磁性指纹粉末显出的陈旧手印出现了严重的纹线粘连，仅能反映出手印轮廓。纳米二氧化钛荧光粉末可有效克服彩色易拉罐的背景干扰，手印纹线与背景反差明显，且遗留时间的延长并未对显现效果造成明显影响。而黑色磁性指纹粉末不能在彩色易拉罐上获得良好的反差。黑色磁性指纹粉末对易拉罐上遗留时间7 d以上的陈旧手印显现能力明显下降，纹线模糊。对于塑料包装，纳米二氧化钛荧光粉末显出手印数量及质量都强于黑色磁性指纹粉末，但两者的显现能力均随遗留时间的延长而下降。

表1　纳米二氧化钛荧光粉末、黑色磁性指纹粉末对不同客体上手印显现结果

注：“TiO2”表示纳米二氧化钛荧光粉末显现法；“磁粉”表示黑色磁性指纹粉末显现法

2.3　纳米二氧化钛荧光粉末与红色荧光指纹粉末显现效果比较

表2为纳米二氧化钛荧光粉末和红色荧光指纹粉末在不同客体上的显现结果统计。两种粉末在不同客体上的显现效果见图5。

表2　纳米二氧化钛荧光粉末、红色荧光指纹粉末对不同客体上手印显现结果

图5　纳米二氧化钛荧光粉末和红色荧光指纹粉末显现效果比较(a)玻璃(b)透明胶带滑面(c)塑料片(d)易拉罐(e)塑料包装；每枚手印左半部分用纳米二氧化钛荧光粉末显现，右半部分用红色荧光指纹粉末显现；手印遗留时间30天

注：“TiO2”表示纳米二氧化钛荧光粉末显现法；“荧光”表示红色荧光指纹粉末显现法对于玻璃上遗留时间30 d内的潜在手印，两种方法始终具有较好的显现效果，使用纳米二氧化钛荧光粉末显现出的手印纹线更加清晰、细腻，而红色荧光指纹粉末会造成大面积的背景污染。纳米二氧化钛荧光粉末可清晰地显现透明胶带背面上的潜在手印，与背景反差明显，显现效果并未随遗留时间延长明显下降，而红色荧光指纹粉末仅能显现出胶带上陈旧手印的大概轮廓，纹线模糊，很难辨认出足够多的细节特征。对于塑料片和易拉罐，纳米二氧化钛荧光粉末的显现效果略优于红色荧光指纹粉末，二者都可以有效克服彩色易拉罐表面的背景干扰。随着遗留时间的延长，两者显出手印的质量均下降。纳米二氧化钛荧光粉末和红色荧光指纹粉末对塑料包装上的新鲜手印显现效果基本相同，但红色荧光指纹粉末对陈旧手印的灵敏度较高，能显现出更多的细节特征。

4结论

纳米二氧化钛荧光粉末、黑色磁性指纹粉末和红色荧光指纹粉末中，黑色磁性指纹粉末使用最方便，磁性刷的使用避免了粉末在空中飘浮；红色荧光指纹粉末在使用中飘浮最严重，易形成尘埃云，会在空中长时间停留，显出痕迹最难清理；纳米二氧化钛荧光粉末在使用时会在空气中飘散，但能够很快沉降下来，显出手印易于清理，不会破坏承载客体。

对于本实验选用的五种非渗透性客体，纳米二氧化钛荧光粉末和红色荧光指纹粉末的显现效果好于黑色磁性粉末，尤其对陈旧手印具有更高的灵敏度，而且荧光粉末能够有效排除复杂背景对手印纹线的干扰。红色荧光指纹粉末的附着能力较强，在塑料包装上的显现效果略好于纳米二氧化钛荧光粉末，但容易附着于承载客体表面，污染背景，降低手印纹线与背景的反差。纳米二氧化钛荧光粉末的颗粒最小,能够选择性地吸附于手印纹线上，而对承载客体吸附力极低，从而可提高手印纹线与背景的反差，对不同时间的陈旧手印样本均有很好的显现效果。

综上所述，纳米二氧化钛荧光粉末可以作为显现非渗透性客体表面潜在手印的方法应用于实践，在多数客体上显出的手印数量及质量均强于黑色磁性指纹粉末和红色荧光指纹粉末。并且，纳米二氧化钛荧光粉末的组成成分安全无毒，不会损害使用者的身体健康。由于实验条件所限，本实验中仅对5种客体上的手印显现效果进行了比较，今后的研究应扩大研究范围，探索纳米二钛荧光粉末的最佳适用条件，并考虑在纳米二氧化钛荧光粉末中加入磁性物质，提高其便携性和适用性。

参考文献

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(责任编辑陈小明)

作者简介王婉婷(1989—), 女， 河北沧州人， 2012级研究生。研究方向为痕迹检验技术。

基金项目北京市教育委员会共建项目。

中图分类号D918.9