基于Box-Behnken法的靶向指纹MoS2微粒悬浮液

张忠良 穆安冬 张丽梅 于超越

（中国刑事警察学院痕迹检验技术系 辽宁 沈阳 110035）

当前，犯罪分子作案手段日趋复杂化与隐蔽化，给寻找、发现现场指纹增加了难度，也为现场指纹的显现与提取带来新的难题。随着纳米技术的不断发展，一些纳米材料如MoS2、纳米金、TiO2、Al2O3等不断应用到指纹显现领域中[1-2]。

传统的MoS2显现指纹的方法是将MoS2与十二烷基硫酸钠按照一定比例混合水中制成悬浮液，采用浸泡后漂洗技术将指纹显现出来[3]。目前，该技术仍需解决的是显现灵敏度不高，显现物质与指纹物质吸附能力较弱等。本文主要从增强显现物质与指纹物质的结合力方面考虑，采用一种新型表面活性剂，研制出新型MoS2指纹显现悬浮液。该方法可明显提高显现物质与指纹物质吸附能力，有限改善MoS2悬浮液的显现效果，对于现场指纹显现具有较高的应用价值。

1 仪器与试剂

PL-203电子天平（梅特勒-托利多仪器有限公司）；SH-4型双显加热磁力搅拌器（上海精凿科技有限公司）；佳能EOS-500D数码相机；MoS2（3000目）；新型表面活性剂；蒸馏水。

2 样本制作

随机选择一名志愿者，用肥皂清洗双手后自然晾干，30min后，分别在瓷砖、塑料片、铝合金上捺印指纹，每组17枚实验样本。

3 Box-Behnken实验设计

3.1 考察指标的评分标准

以纹线连贯性、清晰度、背景染色和整体反差为考察指标，每个指标分值为0-5分，4个指标分值相加的和为该悬浮液显现某一种客体的总分。塑料片、铝合金、瓷砖3个最具代表性的现场客体最后相加的和为新型MoS2指纹显现悬浮液显现指纹效果的综合评分，评分标准如表1所示。

表1 显现效果评价指标及分值

3.2 实验设计

利用Design-Expert 8.0.5软件进行Box-Behnken实验，根据Box-Behnken响应面法的设计原理，在单因素考察的基础上，选取对显现效果影响较为显著的MoS2浓度、新型表面活性剂的浓度、搅拌时间3个影响因素，在3个水平上建立数学模型进行优化研究。本设计共有17个实验点，分为12个析因点和5个零点[4-6]。实验中每个因素的低、中、高三水平分别记作-1、0、+1。实验中各因素的各个水平值见表2。根据实验设计因素水平表，以随机次序进行实验，实验设计表及响应值结果见表3。

表2 Box-Behnken 实验设计的因素和水平

表3 实验设计表及响应值

3.3 指纹显现效果

根据表3中各因素的值配置悬浮液，分别显现铝合金、瓷砖、塑料片上的汗潜指纹，部分显现效果见图1、2、3。

图1 瓷砖表面汗潜指纹显现效果图（a、b、c分别为实验第5、8、17组）

图2 塑料片表面汗潜指纹显现效果图（a、b、c分别为实验第2、8、14组）

图3 铝合金表面汗潜指纹显现效果图（a、b、c分别为实验第2、4、9组）

3.4 响应面模型构建

基于方差分析和回归分析对响应面模型的构建进行序贯分析，得到的模型评价指标值如表4所示。

表4 响应面模型序贯分析

从表4可以看出，随着模型阶数的增加，相关系数R2逐渐增大，拟合效果越来越好。但是，二阶模型P值变大，模型不显著性逐渐提高，同时失拟项开始显著；三阶模型由于拟合回归方程相对较为复杂，实际预测值应用并不方便，因此考虑线性模型和二因素交互关系模型（2FI）模型。一阶线性模型和2FI的P值都非常小，失拟项P不显著，2FI相关系数R2更接近于1，同时为了讨论两因素的交互影响，因此选用2FI模型。

4 响应面分析

4.1 方差分析

对表3数据进行回归拟合，最终拟合方程为：P=+39.41+5.75A-7.88B-0.13C-1.75AB+2.25AC+1.00BC。方程中各项系数绝对值的大小直接反映了各因素对指标值的影响程度，系数的正负反映了其影响的方向。由方程可知，各因素对指纹显现效果的影响是B>A>C，即新型表面活性剂浓度> MoS2浓度>搅拌时间。该模型方差分析见表5。

表5 响应面实验方差分析

模型方差分析结果表明：回归方程P值仅为0.0015，模型显著，同时失拟项P>0.05，不显著。拟合优度系数R2=0.8427。变异系数（CV/%）值越低，表示实验变异性越小、稳定性越好，本实验中为9.79%，说明实验方案可行。模型中A、B项影响显著，其次是AC。2FI模型的残差正态概率分布如图4所示，数据基本分布在一条直线上，说明模型实验值和预测值误差较小。

图4 残差正态概率分布图

4.2 两因素交互影响分析

从图5曲面的形状和变化可以看出三因素影响显著。综合3个图分析，固定MoS2浓度（如图5a）或搅拌时间（如图5c）显现效果随着表面活性剂浓度的增加而提高，说明表面活性剂浓度与显现效果呈负相关。同理，根据图5a和图5b、图5b与图5c，可以得出MoS2与搅拌时间与显现效果呈正相关关系。

图5 两因素交互影响关系图

4.3 模型求解与验证

通过Design-Expert 8.0.5软件对方程分析计算，最终确定优选方案的新型MoS2悬浮液最佳配方为：MoS26.00g、新型表面活性剂0.3mL、蒸馏水50mL、搅拌时间0.5h，综合评分为55.9102，置信度为87.2%。说明Box-Behnken响应面法可用于优化新型MoS2指纹显现悬浮液的配制。

根据优选配方配制MoS2指纹显现悬浮液，分别显现塑料片（a、b）、地板革（c、d）、瓷砖（e、f）、铝箔（g、h）上的汗潜指纹，并与传统配方法的MoS2悬浮液显现指纹作比较，显现效果对比如图6。

图6 新型MoS2指纹显现悬浮液与传统MoS2悬浮液显现效果比较

根据图6可以看出，相比常规MOS2悬浮液，新型MOS2指纹显现悬浮液与手印物质吸附能力更强，显现的指纹纹线连贯性强、清晰度高、背景染色不明显、整体反差大。

5 结论

本研究在单因素实验基础上，采用Box-Behnken设计法设计实验，研究各因素之间的交互作用，并通过统计分析对模型进行显著性检验优化出佳组合和最优响应值。结果表明采用 Box-Behnken实验设计优化新型MoS2指纹显现悬浮液的方法稳定可行，并得出显现效果最佳配比为：MoS2（3000目）6.00g、新型表面活性剂0.3mL、蒸馏水50mL、搅拌时间0.5h。

本实验研制的新型MoS2指纹显现悬浮液与传统MoS2悬浮液相比，显现灵敏度更高，吸附能力更强，操作更加简单，显出指纹纹线的连贯性、清晰度、指纹反差都有很大的提高，适用于非渗透性客体指纹的显现，具有较高可操作性和实用价值。

[1]张丽梅,张冬冬,张忠良,等.表面改性的氧化铝纳米颗粒悬浮液用于二步法显现潜指纹的技术研究[J].警察技术,2016(2)：44-46.

[2]张丽梅,张冬冬,王帅,等.毒品包装塑料自封袋上汗潜指纹的荧光超微粒悬浮液显现新技术研究[J].中国刑警学院学报,2015(4)：46-47.

[3]张晓梅,刘岳.二硫化钼悬浮液显现汗潜指纹研究[J].广东公安科技,2007(1)：14-17.

[4]季宏飞,许杨,李燕萍.采用响应面法优化红曲霉固态发酵产红曲色素培养条件的研究[J].食品科技,2008(8)：9-13,27.

[5]王芳,翟文婷,李艳丽,等.Box-Behnken效应面法优化穿心莲内酯-PLGA微球处方研究[J].中草药,2013(13)：1743-1747.

[6]张艳,李永哲.响应面法及其在药学领域中的应用[J].吉林化工学院学报,2012(7)：20-26.