基于纳米金荧光猝灭体系的汗潜指纹示踪研究

丁 冲, 徐 帅， 王利华*， 吕笑笑

(1.中南民族大学 化学与材料科学学院 催化材料科学湖北省暨国家民委-教育部共建重点实验室，湖北武汉 430074；2.湖南大学环境科学与化学学院,湖南长沙 410082)

指纹，即人体手部皮肤的花纹，包括手掌面的乳突花纹(指头纹、指节纹和掌纹)、屈肌褶纹、皱纹及伤疤等[1]。基于分子科学基本原理的指纹示踪技术在社会综合治理、金融体系安全建设、国防工业等领域有着广泛的应用[2 - 5]。汗潜指纹作为指纹示踪技术中的一种常见的目标物，由于其自身所含有的氨基酸含量较低[6],因此传统的茚三酮示踪体系效果不佳。同时采用硝酸银、凝胶等新型示踪体系都存在着分析结果重现性差、灵敏度低、示踪体系不稳定等缺陷[7 - 9]。

荧光素作为一种常见的酸性染料，由于其自身所发散出的荧光效应而使其广泛应用于分子示踪技术。常见的荧光猝灭体系通常至少包含A和B两类物质，物质A吸收入射光由基态跃迁到激发态后成为能量供体，常见的下转换荧光的形成即源于分子由激发态回到基态所释放出的发送光，但是在荧光猝灭体系中存在能量受体物质B将A释放的能量夺走故整个体系的荧光消失。目前存在动态转移猝灭、静态转移猝灭、动态和静态联合猝灭、光诱导电子转移(PET)、荧光共振能量转移(FRET)和表面能量转移(SET)等多种荧光猝灭体系。纳米金具有化学稳定性好、生物相容性好、制作工艺简单等优点[10]。本文将荧光素与纳米金在合适的条件下混合，形成稳定的纳米金-荧光素猝灭体系，然后利用汗潜指纹中的Cl-通过与纳米金化学键合作用使荧光重现的现象，构建了一种新型的基于纳米金荧光猝灭体系的汗潜指纹示踪体系。目前该体系还未见国内外文献报道。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

FA2004电子分析天平(上海舜宇恒平科学仪器有限公司)；STP55-13F警眼(氙灯波段源)；手持式多波段光源(北京龙昊警用器材有限公司)；BT-90纳米激光粒度分布仪(丹东百特仪器有限公司)；PE LS55荧光/磷光分光光度计；FEI Tecnai G20透射电子显微镜。

实验合成及表征试剂皆购于国药集团化学试剂公司；示踪基底材料皆为普通市售日用品。

1.2 纳米金溶胶的制备

首先称取0.4620 g氯金酸，蒸馏水溶解，转至100 mL容量瓶，蒸馏水定容，制得黄色氯金酸溶液。然后称取0.5169 g柠檬酸三钠，蒸馏水溶解，转至100 mL容量瓶，蒸馏水定容，制得柠檬酸三钠溶液。之后称取0.4101 g聚乙烯吡咯烷酮，蒸馏水溶解，转至100 mL容量瓶，蒸馏水定容，制得保护剂PVP溶液。最后取5 mL柠檬酸三钠溶液和5 mL PVP溶液，于100 mL圆底烧瓶中，在70 ℃下加入50 mL氯金酸溶液反应10 min，冷却至室温，制得酒红色纳米金溶胶。

1.3 纳米金-荧光素猝灭体系的制备

取一定浓度的荧光素于烧杯中，以465 nm为激发波长，透过490 nm滤光片观察，可看到荧光素发出的亮绿色荧光。往荧光素溶液中逐滴滴加纳米金溶胶，体系荧光强度迅速耗散，从而制成纳米金-荧光素猝灭体系。

1.4 汗潜指纹样本制备及分析效果检测

在各种非渗透性材料的物体表面连续制备自然指纹试样，使用铅笔或者记号笔做出标记。将适量纳米金-荧光素猝灭体系涂到指纹处，在自制指纹体系示踪仪中以465 nm为激发波长，透过490 nm滤光片观察指纹示踪过程；待轮廓充分显现后将处理好的汗潜指纹试样用佳能相机手动调焦拍照，自动模式下拍照应采用微距、不闪光且对准图下标记文字。

1.5 指纹样本制备及检测

洗手后戴上手套10 min，在各种材料的物体表面连续按下指印，分泌旺盛的提供者第一枚指纹较浓，甚至导致指纹的纹路被模糊，而第二枚指纹不会出现纹路被模糊的情况。使用铅笔或者记号笔做出标记。将纳米金-荧光素猝灭体系涂到指纹处，选465 nm为激发波长，透过490 nm滤光片观察指纹轮廓；同时将处理好的指纹平放在黑色的照相机固定架底座上，用手持式多波段光源照射指纹，然后用高倍显像仪原位扑捉指纹轮廓显现过程。

2 结果与讨论

2.1 基于纳米金-荧光素猝灭体系的汗潜指纹示踪效果分析

图1 纳米金-荧光素猝灭体系的汗潜指纹示踪过程Fig.1 The process of latent fingerprint detection

从图1中可以清晰观测到基于纳米金-荧光素猝灭体系的汗潜指纹的示踪全过程。反应初始时荧光素溶液在自然状态下发出绿色荧光，与纳米金颗粒混合后其荧光迅速衰减至肉眼无法识别，最后当再此加入Cl-后体系恢复荧光，呈现出较好的分子“turn-on”与“turn-off”性能。其主要历程推测为：荧光素发出荧光的基本原理基于分子激发态回到分子基态的跃迁过程，而加入纳米金颗粒后其夺取处于激发态的荧光素分子所具有的能量使其以非辐射跃迁的方式回到基态进而造成体系荧光猝灭，之后Cl-的加入使其吸附与纳米金颗粒表面使其失去能量受体的作用，从而体系恢复荧光[11 - 14]。

为了全面的考察纳米金-荧光素猝灭体系的汗潜指纹示踪效果，我们分别在非渗透性材料、渗透性材料、高分子材料上进行指纹示踪。从图2、图3和图4可以看出在三种不同类型材料上均有较清晰的指纹示踪效果，其示踪所需时间分别为1 h、0.4 h、1.5 h。我们认为其主要原因由于三种材料的渗透性不同造成的汗潜指纹浓度呈现一定的差异进而示踪时间有所差异。同时，在-5 ℃放置一段时间后， 三种材料上的示踪荧光均呈现不同程度的衰减现象，其中渗透性材料中的示踪荧光衰减程度较为突出。与此同时极性溶剂的挥发对渗透性材料中的示踪效果也会有一定影响。

图2 非渗透性材料上的汗潜指纹示踪图Fig.2 Photograph of latent fingerprint on the non-permeable material

图3 渗透性材料上的汗潜指纹示踪图Fig.3 Photograph of latent fingerprint on the permeable material

图4 高分子材料上的汗潜指纹示踪图Fig.4 Photograph of latent fingerprint on the polymer material

2.2 温度对纳米金-荧光素猝灭体系效果稳定性的影响

图5 283 K、303 K和333 K时基于非渗透性材料的汗潜指纹示踪图Fig.5 Photographs of latent fingerprint at 283 K,303 K and 333 K with non-permeable material,respectively

温度环境对指纹示踪有着重要影响[15 - 16]。为了检测温度对纳米金-荧光素猝灭体系稳定性的影响，我们分别在温度273～363 K范围内进行指纹示踪实验，以在日常分析工作中指纹分析应用最为广泛的非渗透性材料[17]为基底。发现在338 K条件下指纹试样的基底材料燃烧自毁，故对于所选非渗透性材料A4纸来说纳米金-荧光素猝灭体系的工作温度极限为338 K,基本满足日常分析工作需要。我们选取示差明显的283 K、303 K、333 K进行对比分析，其示踪效果如图5所示。可以发现在283 K时其指纹轮廓最为明显，随着温度的升高指纹示踪效果逐渐下降，其原因可能是由于温度上升加速纳米金颗粒团聚聚沉，增加其体系对荧光的背景吸收，造成指纹示踪效果下降。

2.3 氯离子对纳米金-荧光素猝灭体系稳定性的影响

图6 原始猝灭体系纳米金颗粒的透射电镜(TEM)图(A、C)；加入NaCl后体系的纳米金颗粒TEM图(B、D)Fig.6 TEM images of gold nanoparticles-fluorescence quenching system of AuNPs(A,C);TEM images of gold nanoparticles-fluorescence quenching system of AuNPs after adding NaCl(B,D)

图7 加入NaCl前后的体系金颗粒分布Fig.7 The corresponding particle size distribution graphA：gold nanoparticles-fluorescence quenching system;B：gold nanoparticles-fluorescence quenching system after adding NaCl.

3 结论

本研究基于纳米金-荧光素猝灭体系设计出一种灵敏的汗潜指纹示踪体系，该体系在日常分析工作环境下具有较为灵敏的指纹示踪性能同时也具有灵敏度高、生物毒性低、可多次循环利用的特点。未来可通过改变体系溶剂、富集体系中金粒子浓度的手段来进一步提高体系的稳定性与检测性能。