铂纳米颗粒的微波制备及其对汗潜指印的分子识别显现

黄 锐

(1.西南政法大学司法鉴定与证据科学研究院， 重庆 401120； 2.重庆高校物证技术工程研究中心， 重庆 401120)

0 引言

在纳米颗粒合成方法中，柠檬酸钠还原法最早用于制备金属纳米颗粒，是在水相中以柠檬酸钠还原氯金酸[1]。但是，利用该法还原制备的金属纳米颗粒存在产量低，成本相对较高，尺寸单一性差，形貌不规则等缺点。另外，柠檬酸根离子作为配体形成的丙酮二羧酸中间体会导致颗粒表面的组成不确定[2]。

纳米材料在制备过程中主要采用两种加热方式：传统水热法和微波辐射法。传统水热法很早就广泛应用于在化学反应中[3-4]。但是，传统水热法由外及里的加热方式会导致反应体系受热不均匀，使得制备的金属纳米颗粒粒径较大且不均一。新兴的微波辐射法因其热传导方式的不同，使之在纳米材料合成中成为一种绿色、高效的手段而逐渐得到应用[5-6]。利用微波法合成的纳米胶体颗粒，具有粒径小、分散性好等特点[7]。

微波辐射的原理是将微波电磁能转化为热能而引起的由里及外“体加热”或“内加热”[8]。微波辐射与传统加热方式相比，具有如下显著优势：一是缩短了成核时间，使颗粒成核更均匀，无滞后效应[9-12]；二是使加热效率变高，化学反应时间加快[13]；三是使副反应减少，生成物产率提高。目前，国内外已有许多采用微波辐射法合成金属纳米颗粒的研究。

铂是一种常见的贵金属，具有优越的稳定性和催化性，在催化领域、电化学、生物学等方面有着突出的优势和重要的作用。因此，目前关于铂纳米颗粒(Pt NPs)的报道主要集中于如何实现高催化活性、高选择性以及形貌控制。在显现汗潜指印方面，铂具有与潜指印汗液中生物分子或基团之间配位作用、疏水作用、静电作用、氢键作用等多种非共价识别结合的能力。Pt NPs能够与潜指印中的水和油脂等物质因物理吸附作用而结合，同时，Pt NPs与生物分子中的巯基、氨基、羧基等基团产生配位作用、静电作用以及氢键作用等多重作用机制，从而实现对乳突纹线的选择性识别。因此，Pt NPs在潜指印识别显现中的价值值得期待。

本文采用将乙二醇、氢氧化钠加入到氯铂酸溶液中进行直接加热的方式制备铂纳米颗粒。在制备过程中，分别采用传统水热法与微波辐射法两种加热方式制备铂纳米颗粒，并通过场发射扫描电子显微镜、Zeta电位及粒度分析仪、X-射线衍射仪、紫外- 可见分光光度计等手段对两种加热方式制备的铂纳米颗粒分别进行表征和性质比较。最终，将铂纳米溶液应用于潜指印分子识别显现，并对显现条件进行考察。

1 实验材料

1.1 主要实验试剂

氯铂酸(H2PtCl6·6H2O)：国药集团化学试剂有限公司；乙二醇((CH2OH)2)：成都市科龙化工试剂厂；氢氧化钠(NaOH)：中国医药上海化学试剂公司；所有化学试剂为分析纯，实验中所用水均为超纯水。

1.2 主要实验仪器

紫外- 可见分光光度计(UV- 2450)：日本岛津公司；场发射扫描电子显微镜(SU8010)：日本日立公司； X-射线衍射仪(Ultima IV)：日本理学株式会社； Zeta电位及粒度分析仪(ZetaPALS)：美国布鲁克海文仪器公司；多波段光源文检仪(VSC5000)：英国法司特公司；超纯水机(Milli-Q)：美国密理博公司；分析天秤(AR224CN)：奥豪斯仪器(常州)有限公司；电子调温加热套(DZTW)：北京鑫润科诺仪器仪表有限公司；家用微波炉(D8023CSL- K4，格兰仕)；移液枪：大龙兴创实验仪器(北京)有限公司。

2 实验方法

2.1 Pt NPs的制备

传统水热合成法[14]：将乙二醇(5 mL)、NaOH(1 mol/L、3 mL)、H2PtCl6(40 mmol/L、13 mL)加热至沸腾，保持沸腾状态反应直至溶液变为茶褐色，关闭热源，继续搅拌至室温。冷却后所得溶液即为铂纳米溶液。

微波辐射合成法[14-15]：将乙二醇(5 mL)、NaOH(1 mol/L、3 mL)、H2PtCl6(40 mmol/L、13 mL)混合。将上述溶液转入烧杯并置于微波炉中，在微波功率为800 W条件下进行微波辐射反应，反应过程中溶液由浅黄色变成茶褐色时立即停止加热(加热时长约90 s)。冷却后即得铂纳米溶液。

2.2 Pt NPs的性质研究

分别利用场发射扫描电子显微镜、Zeta电位及粒度分析仪、X-射线衍射仪、紫外- 可见分光光度计等仪器方法对传统水热法与微波辐射法制备所得的铂纳米溶液进行性质比较分析。通过场发射扫描电镜、Zeta电位及粒度分析仪比较传统水热法和微波辐射法分别制得的铂纳米颗粒微粒状态以及颗粒尺寸；用X-射线衍射仪分析对两种方法制备的铂纳米溶液的衍射图谱，获取其成分和结构信息；分别对两种方法制备的铂纳米溶液进行紫外光谱扫描，绘制紫外- 可见吸收光谱图，通过对其自外吸收光谱性质的研究。

2.3 潜指印的制作与识别显现

所有指印样本均由同一志愿者提供。自愿者于自然状态下在不同载体上捺印汗液指印，获得潜指印样本。将传统水热法和微波辐射法制得的铂纳米溶液分别用胶头滴管吸取，并沿指印乳突纹线顺时针滴于不同载体上的潜指印纹线上，待载体上的溶液自然风干。风干后的干燥指印采用文检仪观察并记录，用Photoshop图像处理软件对潜指印显现照片进行处理[16]。为尽可能模仿真实案件现场上的潜指印，本实验所用的指印样本均在自然状态下存放。

3 结果与讨论

3.1 Pt NPs的形貌表征

通过场发射扫描电镜对传统水热法和微波辐射法制备的铂纳米颗粒的微观形貌进行比较分析。目前大多数的研究报道中，铂纳米颗粒均为单晶结构，有多面体、球形等多种形态。对于单晶态的铂纳米颗粒而言，热力学稳定的形状是球形，其次是表面由(111)和(100)晶面所围成的平截八面体[17]。由扫描电镜图像显示的铂纳米颗粒形貌可知(图1)，本文制备了稳定的球形铂纳米颗粒。

图1 (A)圆球形铂纳米颗粒电镜图；(B)单颗粒放大图

如图2所示，传统水热法和微波辐射法制备的铂纳米颗粒均达到纳米级，且颗粒形态都呈平滑的圆球形。传统水热法制得的颗粒易团聚且粒径大小不均匀，微波辐射法在更短的制备时间内所制得的铂纳米颗粒分散性更好、尺寸更加均匀。结合图2中的粒径分布图可知，微波辐射法制得的铂纳米颗粒平均粒径约12.5 nm，小于传统水热法制得的平均粒径16 nm。在通过Zeta电位及粒度分析仪进行测量的过程中，会用多分散性指数(PDI)来实时监测颗粒的多分散性。多分散性指数往往用于衡量颗粒粒径大小的一致程度，指数值越低，说明颗粒粒径分布越集中，反之，指数值越高，则说明颗粒粒径分布范围广。数据显示，传统水热法所制备溶液的多分散性指数在0.3～0.8之间，而微波辐射法所制备溶液的多分散性指数则在0.1～0.3之间，这表明微波辐射法制备铂纳米颗粒较传统水热法制得的颗粒多分散性更好。在显现潜指印时，微波辐射法制备的Pt NPs能够更稳定的与生物分子非共价识别。

3.2 Pt NPs的XRD表征

通过X射线衍射仪测定表征物，可以根据图谱中特征峰的位置对铂纳米材料进行定量分析、物相分析、晶胞参数的测定等。图3为制备的铂纳米颗粒的X射线衍射图谱。将其与铂的标准衍射谱图对照(编号为0040802的JCPDS卡片)，在衍射峰2θ=39.8°，46.2°，67.5°，81.3°为Pt的111、200、220、311四个晶面，说明制备的铂纳米颗粒是面心立方结构(fcc)[18]。由XRD图谱可以看出，微波辐射法制备的铂纳米颗粒表征图谱的衍射峰更加尖锐而且峰强度较传统水热法更强，说明微波辐射法制备的铂纳米颗粒的纯度更高[19]，与生物分子识别的能力更强。

3.3 Pt NPs的吸收光谱性质研究

图4 铂纳米颗粒的紫外光谱图

3.4 潜指印识别显现条件的优化

由上述分析可知，相比于传统水热法，微波辐射法可以更短时间内、更加高效地制备出粒径更小、分散性更好、形态更加均匀的铂纳米溶液。因此，在3.4、3.5、3.6部分对潜指印显现条件的优化以及显现效果比较中，均采用微波辐射法制备铂纳米溶液。

(1)氯铂酸浓度对显现效果的影响

分别用浓度为50 mmol/L、40 mmol/L、30 mmol/L、20 mmol/L的氯铂酸溶液通过微波辐射法制备铂纳米溶液，并将其应用于2.3中所捺印的潜指印识别显现。如图5可知，40 mmol/L的氯铂酸溶液对潜指印的显现效果最佳，指印纹线清晰、乳突纹线和犁沟线层次明显、细节特征明确可辨。浓度为50 mmol/L、30 mmol/L、20 mmol/L的氯铂酸溶液对潜指印的显现效果相较40 mmol/L浓度溶液略差，虽然细节特征显现较弱，但依然能显现完整的纹线和清晰的轮廓。进一步探究氯铂酸浓度对铂纳米颗粒的尺寸性质的影响，以判断影响显现效果的因素。如图6所示，氯铂酸浓度过低或过高均会导致纳米颗粒尺寸增大，纳米颗粒会在犁沟堆积，导致纳米颗粒对乳突纹线的特异性能力结合减弱，与犁沟线的反差降低，并掩盖指印汗孔等细节特征，不利于对潜指印中所含的生物分子进行识别显现[23]。

图5 不同浓度的铂纳米溶液对潜指印显现的影响

图6 氯铂酸浓度与粒径大小关系图

(2)溶液pH对显现效果的影响

铂纳米溶液的pH值对潜指印显现效果有明显影响。在酸性的条件下，蛋白质、氨基酸等潜指印成分容易质子化，使得铂纳米颗粒更易与蛋白质、多肽、氨基酸等生物分子中的巯基、氨基、羧基等基团发生配位作用等非共价识别作用，因此铂纳米溶液在酸性环境中与潜指印的乳突纹线结合更为紧密[24]。分别对微波辐射法所制得的铂纳米溶液在pH=2、pH=3、pH=4、pH=5、pH=6条件下进行显现效果比较分析，考察溶液pH值对潜指印显现效果的影响。

如图7所示，当纳米溶液的pH值过小，纹线轮廓以及基本特征能够识别显现，但与背景的反差小、层次不明显、细节特征表达模糊，这是因为酸度过大，影响了铂纳米颗粒的稳定性，出现团聚现象；而当溶液的酸性较弱，指印成分中的蛋白质、多肽、氨基酸等氨基化合物不能有效的质子化(即不能与H+有效结合)，使得Pt NPs与指印中生物分子的非共价识别作用降低，故出现部分乳突纹线显现不清的现象[25]。当纳米溶液pH=5时，汗潜指印的显现效果最好，纹线清晰流畅，细节特征表现良好。

图7 不同pH的铂纳米颗粒对潜指印显现的影响

(3)不同遗留时间潜指印的显现效果

指印遗留时间是指手指接触客体并在客体表面遗留下指印后，直至指印被发现时所间隔的时间。通常，遗留时间小于72 h的指印称为新鲜指印，遗留时间大于72 h的指印称为陈旧指印。

采用浓度为40 mmol/L氯铂酸制得pH为5的铂纳米溶液对同一志愿者捺印的遗留时间0 h～24 d的潜指印进行识别显现，显现效果如图8所示。铂纳米溶液对0 h～6 d内形成的潜指印效果均较好，其中遗留时间为6 d的潜指印显现效果最佳；当遗留时间再延长，显现效果明显降低，铂纳米溶液对遗留时间为24 d的潜指印基本无法识别显现出纹线细节特征。

铂纳米溶液对新鲜潜指印的识别显现，一方面是Pt NPs与潜指印中的水和油脂等物质因物理吸附作用而结合，另一方面Pt NPs与生物分子中的巯基、氨基、羧基等基团产生配位作用、静电作用以及氢键作用。然而随着指印遗留时间的推移，潜指印中的水和油脂等成分会因挥发、氧化等因素而逐渐减少，这使得铂纳米颗粒与纹线之间的作用力减弱、作用位点减少，直接影响指印的显现效果[26]。

图8 不同新鲜程度指印的显现效果

3.5 不同客体上潜指印的识别显现

分别选择透明玻璃、透明塑料、蓝色磨砂塑料以及A4文印纸张作为指印承受客体，利用铂纳米溶液对其上的汗潜指印进行显现效果的考察。如图9所示，不同载体上的潜指印显现效果存在明显差异：透明玻璃上的潜指印显现完整，乳突纹线中的起点、终点、分歧、结合等细节特征清晰可辨；透明塑料上的汗潜指印亦能对细节特征进行良好表达，但是纹线与承受客体背景的反差小，显现效果不如透明玻璃；而蓝色磨砂塑料和白色A4文印纸张上的汗潜指印显现效果差，细节特征几乎无法得到识别显现。造成上述显现效果差异的原因是：透明玻璃和透明塑料均为非渗透性承受客体，且底色与显现后的乳突纹线颜色对比鲜明，故显现效果好；蓝色塑料片为磨砂表面，潜指印本身与客体之间的结合力相对较弱，潜指印中的物质遗留量相对较少，使其与铂纳米溶液反应的作用位点减少、结合力减弱，而显现后的指印与蓝色塑料背景的颜色色差小，上述原因均导致该客体上的潜指印显现效果差；白色A4文印纸张为草木纤维制作，其渗透性强，导致纸张表面的指印物质遗留量少，而水相制备的铂纳米溶液在纸张上亦具有强渗透性，因此综合导致铂纳米溶液在该客体上的汗潜指印显现效果不理想。

图9 铂纳米溶液对不同载体上潜指印的显现效果

3.6 与茚三酮溶液的显现效果比较

茚三酮溶液因能与潜指印中的氨基酸发生化学反应而显色，是目前常用的传统型潜指印显现试剂。因此，选择茚三酮溶液与铂纳米溶液对潜指印的显现效果进行对比研究。如图10、11所示，对玻璃、塑料客体上的潜指印，铂纳米溶液的显现效果胜于茚三酮溶液；而对形成于纸张上的汗潜指印，茚三酮溶液与指印乳突纹线的结合能力强，指印的整体显现更为清晰，但是从细节特征来看，茚三酮溶液显现的乳突纹线不流畅、有断点，铂纳米溶液对A4纸上的汗潜指印显现效果差，只能识别显现指印的基本轮廓，无法识别纹线的细节特征。

图10 铂纳米溶液对不同载体上潜指印的显现效果

图11 茚三酮对不同载体上的潜指印显现效果

同为溶液型显示剂，本文在水相中制备的铂纳米溶液的不足主要表现在：其对渗透性客体上的潜指印显现效果差且显现速度比茚三酮溶液慢。但作为典型传统方法的茚三酮溶液，在显现汗潜指印中存在以下几个问题：一是易使背景客体着色，造成证据污染；二是易引起纸张上油墨的扩散，破坏文书证据；三是使用的溶剂(如乙醇、乙醚等)易燃、易挥发、易致毒；四是稳定性差、不易保存，经茚三酮显现处理过的纸质材料一段时间后将发生变色，变色后的纸张与已显出的潜指印纹线的色差减小，不符合实际工作中对物证的存档要求，不利于后期的案件复审和追查，存在造成重大过失的隐患。

4 结论

本文以乙二醇为还原剂，采用了两种不同的加热方式——传统水热法和微波辐射法，分别制备了铂纳米颗粒。通过场发射扫描电子显微镜、Zeta电位及粒度分析仪、X-射线衍射仪、紫外- 可见分光光度计等方法对其进行表征和性质研究。结果显示，微波辐射法因其加热机制的不同，所制备的铂纳米颗粒在颗粒形态、粒径大小、分散性等各方面均表现出比传统水热法更优越的性能。在潜指印的显现研究中，对不同条件进行了系统考察，结果显示：在氯铂酸制备浓度为40 mmol/L且铂纳米溶液pH值为5时，对透明玻璃客体上6天之内形成的潜指印显现效果最佳。铂纳米溶液在非渗透客体上的显现效果优于渗透性客体，这在与传统型显示剂茚三酮溶液的比较研究中可见一斑，其原因与本方法采用水相制备有直接关系。

本文实现了通过铂原子对潜指印中生物分子的非共价识别使潜指印可视化，验证了Pt原子对潜指印乳突纹线的识别能力，为后期功能化铂纳米材料的设计、制备和应用奠定了基础。