聚集诱导发光材料协同“502”熏显技术显现潜指纹的综合实验设计

金晓东， 唐镜宇， 陈 伟， 张 冲， 徐同祥

（江苏警官学院刑事科学技术系，南京 210031）

0 引 言

教育部于2019 年10 月出台了《关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》文件［1］，提出“强化科研育人功能，推动高校及时把最新科研成果转化为教学内容，激发学生专业学习兴趣”的要求，因此为提高学生的综合创新实践能力，综合性实验课程的设置就显得十分必要。高校教师的科研项目及其相关研究成果为综合性实验的设计提供了良好的素材资源，通过将其凝练设计成综合实验，可使实验教学内容更具学科前沿性、综合性和创新性，这也是提高高校实验教学水平的有效途径［2-3］。综合性实验的开展，一方面可使学生在本科阶段接触到学科前沿知识，将教师的科研项目与学生的实验有机融合，提升学生的科研创新能力、动手能力［4］，而另一方面也能让学生在实验中学习，促进专业基础理论知识的交叉融合。

聚集诱导发光（aggregation-induced emission，AIE）是由我国科学家原创并引领世界科学研究的前沿领域［5］。自唐本忠院士于2001 年发现1-甲基-1，2，3，4，5-五苯基噻咯的反常发光行为，并称之为AIE 现象以来［6］，国内外许多课题组都在致力于AIE 的研究。基于AIE 分子在固态时呈现出优良的荧光发光特性，克服了传统有机荧光染料的聚集诱导猝灭（aggregation-caused quenching，ACQ）效应，Li 等［7］报道了利用AIE 分子荧光显现潜指纹。这引起了众多法庭科学或化学工作者的研究兴趣，许多新颖的AIE分子被报道用于潜指纹显现的研究［8］。将AIE 显现潜指纹新技术引入至本科教学实验中，可以较好地将学科前沿与专业实践相结合，从而激发学生的学习兴趣，促进学生对学科前沿的了解［9］。

本文以来自教师的科研项目“聚集诱导发光材料显现潜指纹技术研究”中已合成制备的AIE分子NIRLP为研究对象，设计了一个综合性实验——聚集诱导发光材料协同“502”熏显技术显现潜指纹，期望通过本综合实验融合之前所学的诸如大学基础化学、仪器分析、痕迹检验等基础理论课程，弥补基础教学实验的不足，从而提升刑事科学技术专业学生的综合素质，同时也为后续的毕业设计奠定基础。

1 实验试剂与仪器

试剂：染料NIR-LP（见图1）为实验室自制；“502”胶购于京东商城；其他试剂购于探索平台，均为分析纯，如无特别说明，无需进一步纯化，直接使用。

仪器：荧光分光光度计（美国Varian Cary Eclipse）；电子天平（上海恒平科学仪器有限公司FA1104 N），手提紫外灯（上海光豪分析仪器有限公司，ZF-7A），移液枪（Dragon-lab），相机（Canon-EDS 700D），“502”熏显箱（美国Mystaire CA3000 502），扫描电镜（美国FEI Quanta 450）。

图1 染料NIR-LP的化学结构式

2 实验步骤

2.1 化合物NIR-LP光谱测试条件

（1）母液的配制。配置染料NIR-LP 的2.5 mmol

乙腈溶液（母液），并在低温、避光条件下进行保存。

（2）工作液的配制。取1 mL 染料NIR-LP 的母液，滴加至不同体积比的CH3CN/H2O混合溶液（溶液的总体积为10 mL）中，配制0.25 mmol的染料NIR-LP的工作液。

（3）荧光发射光谱的测定。利用荧光分光光度计测定染料NIR-LP 的AIE 性能时，设置λex= 430 nm，分别测试上述染料NIR-LP不同体积比的CH3CN/H2O混合溶液的荧光发射光谱。

2.2 潜指纹成像实验

（1）样本的制作。指示志愿者用肥皂将手洗净后，用手指轻蹭额头或脸颊，并分别在玻璃、铝板、钢板和硬币客体上轻轻按捺，得到实验所需的潜指纹样本。

（2）样本的显现。将上述载有潜指纹的客体置于“502”熏显箱内，加热20 min 后，取出客体，得到呈现白色指纹的客体。随后，将不同体积比的CH3CN/H2O的染料NIR-LP溶液滴加至上述客体上，染色2 min。

（3）样本的成像。在365 nm 手提紫外灯的激发下，观察上述显现指纹后的客体，并用单反相机拍摄、记录（见图2）。

图2 “502”协同染色法荧光显现潜指纹示意图

3 结果与讨论

3.1 化合物NIR-LP聚集诱导发光性能

如图3 所示，NIR-LP 在良溶剂CH3CN 中没有荧光，但随着CH3CN/水混合体系中不良溶剂水含量的增加，染料NIR-LP 在紫外灯的激发下逐渐发射出较强的红色荧光。这可能是由于［10-11］：①NIR-LP 分子在良溶剂CH3CN中受到紫外灯的激发后，发生了激发态分子内质子转移（ESIPT）现象，从而产生各种过渡态或共振结构，这些过程为激发态衰减提供了一个弛豫通道；②当往染料NIR-LP的CH3CN溶液中加入少量的水，其分子内氢键受损，激发态质子转移（ESIPT）过程受到抑制，溶液体系发射出弱的黄绿色荧光，而当向染料NIR-LP的CH3CN 溶液中加入大量的水时，染料NIR-LP会聚集形成纳米颗粒，其分子内的氢键得到恢复，从而在紫外灯的激发下，发射出较强的红色荧光。这也说明了染料NIR-LP具有典型的AIE性质，即在良溶液中没有荧光或荧光较弱，而随着不良溶剂的加入，荧光逐渐增强。

图3 染料NIR-LP在不同体积比的CH3CN-水溶液中的荧光发射光谱图（［NIR-LP］=0.25 mmol，λex = 430 nm）

3.2 化合物NIR-LP协同“502”熏显技术显现潜指纹性能

在现有的潜指纹显现技术中，“502”熏显技术是一种良好的固定指纹纹线并使潜指纹得以显现的方法，其作用机理是潜指纹中存有的阴离子（如OH-等）作为亲核试剂，引发“502”主体成分，即α-氰基丙烯酸乙酯，发生阴离子型聚合形成白色多孔高聚物，进而显现潜指纹［12-13］。“502”胶熏显法操作简单，显现时间短，且显现出的潜指纹纹线清晰，自面世以来已广泛应用于公安一线机关的刑事勘验工作中。但是，由于被“502”熏显后的潜指纹颜色呈现白色，因此该方法不利于浅色客体上潜指纹的显现及后期的指纹鉴定。鉴于AIE分子在显现潜指纹中有着显著的优势，本实验将AIE 染料与“502”熏显技术协同处理潜指纹，以达到提高潜指纹成像质量的目的。如图4 所示，经染料NIR-LP染色后所呈现的潜指纹荧光成像图像，指纹纹路清晰，纹线和小犁沟的区分度得到显著提高。此外，由于染料NIR-LP 能够较好地减少背景荧光干扰，因此指纹细节部分及部分三级结构（如汗腺孔、纹线边缘特征等）也可清晰地被观察到（见图5）。

图4 染料NIR-LP协同“502”熏显技术对不同客体上潜指纹的显现效果图（所有荧光照片都是在365 nm紫外灯激发后拍照后所得）

图5 指纹的三级结构特征：纹线的汗腺孔“○”、边缘特征和趋势

为了更加客观地分析指纹成像图像的分辨率，利用Image J软件对指纹成像图像［见图6（a1）、（b1）、（c1）］中白色线条处的7 组连续小犁沟与纹线进行了灰度值（G）测量，以半定量地验证染料NIR-LP 对潜指纹的可视化增强能力。G0为最低灰度值，用G/G0为参数评估指纹成像图像的分辨率［14］。G/G0在白线处变化明显，表明指纹图像上有小犁沟和纹线。未经任何处理和直接用“502”熏显的指纹图像不容易被观察清楚，其纹线和小犁沟处的灰度值变化无规律，白线处G/G0的最大值分别为3.46［见图6（a2）］、2.75［见图6（b2）］。而将“502”熏显的指纹经染料染色后，在紫外灯的激发下，得到橙黄色的指纹荧光成像图像，指纹的纹路清晰，且其纹线和小犁沟处的灰度值变化较有规律，纹线和小犁沟可被清晰地分辨出来，G/G0的最大值为4.19［见图6（c2）］。从SEM图也可看出，相较于未经任何处理的潜指纹，经染料NIR-LP 协同“502”熏显技术处理的潜指纹，由于“502”形成的多孔聚合物将指纹原位固定于客体上［15］，很容易分辨出纹线和小犁沟（见图7）。这也进一步说明在该协同方法的增强作用下，将载有潜指纹的客体预先用“502”熏显处理，有利于潜指纹的成像，指纹的可视化对比得到有效提高。

图6 不同方法处理后指纹图像及其灰度值分析

图7 不同方法处理后指纹SEM图像

3.3 AFIS平台上的匹配测试

为了评估该协同方法显现潜指纹的显现效率，将所显现的潜指纹成像图像分别与标准红色印泥指纹图像通过AFIS 系统进行匹配分析。如图8 所示，在玻璃、铝板、钢板和硬币客体上分别有14、25、26 和30 个特征点与红色印泥指纹的特征点相匹配。需要说明的是，当两枚指纹有8 ～16 个特征点相吻合时，就可以认定该两枚指纹为同一人所遗留［16］。上述结果表明，经该协同方法显现的潜指纹可以有效地实现对个体的同一认定。

4 实验设计与教学特色

4.1 实验教学设计

本实验适合公安院校刑事科学技术专业或法化学专业高年级的本科生，学生应具备大学基础化学、仪器分析和痕迹检验的专业基础知识，及一定的实验操作能力。本实验共需8 学时（见表1），可3 人1 组，集中1天完成。实验结束后，每组学生应团队协作，按照正式发表科技论文的撰写要求（教师可以提供数篇参考文献），提交科技论文或研究报告1 份。

图8 不同客体（a1 ～d1）上的潜指纹经协同方法显现后的成像图像与指纹库中的印泥指纹（a2 ～d2）通过AFIS系统进行匹配分析

表1 实验教学方案

4.2 教学特色

本实验为综合性化学实验，以公安实际应用为指导，将刑事科学技术与化学前沿技术相结合，有助于引导学生建立实验思维，培养学生的科研素养和理论联系实践的能力。

（1）融合基础理论课程，弥补传统教学实验的不足。传统的本科教学实验往往实验内容单一，且以单科课程设置为主，缺乏综合性，不利于学生综合素质的培养。聚集诱导发光材料协同“502”熏显技术显现潜指纹的综合性实验融合了大学基础化学、仪器分析、痕迹检验等基础理论课程，弥补了传统本科教学实验综合性不足的缺陷。本实验强化了学生的基本操作，如溶液的配制、荧光的测定、潜指纹的显现及AFIS 平台的操作等，实验内容涵盖了刑事科学技术专业的核心教学内容。

（2）将科研成果凝练成教学素材，实现“科研反哺教学”。由于传统本科教学实验内容相对陈旧，与前沿科学技术脱节，不利于学生创新能力的培养。而高校教师的科研项目往往聚焦科技前沿，且具备综合性、创新性等特点，这也为综合性实验的设计提供了良好的素材资源。基于教师前期的科研成果，设计的以聚集诱导发光材料协同“502”熏显技术显现潜指纹的综合性化学实验，促使学生了解学科前沿知识和科研的一般流程，培养学生的科研素养，以期提高学生的综合素质。同时，也为将教师的科研成果转化为教学内容作一积极尝试，实现“科研反哺教学”的目的。

（3）“研赛融合”，培养学生的创新能力。近年来，教育部出台了相关政策文件引导高校教师组织学生参加学科竞赛，实现“以赛促教，以赛促学”，以此激发大学生的兴趣和潜能，培养大学生的团队协作意识和创新精神［1］。2019 年，为培养大学生的创新意识和实践能力及推动我国高等学校实践教学改革，教育部高等学校化学类专业教学指导委员会、高等学校国家级实验教学示范中心联席会和中国化学会联合设立了全国大学生化学实验创新设计竞赛［17］。我院刑事科学技术专业的3 位学生基于此教学实验组成的“寻纹溯源”团队参与了第二届该项赛事（华东赛区）的竞赛，并获得了二等奖的成绩。这也说明，基于“研赛融合”的教学模式，我院在提高学生的创新能力和专业综合能力上取得了一定的成效。

5 结 语

以教师的前期科研成果为基础，将其优化并移植至本科教学实验中，以期达到“科研反哺教学”的目的。本实验围绕聚集诱导发光性能的研究、潜指纹显现研究及在自动指纹识别系统上的匹配测试三方面内容，设计成综合教学实验，将化学学科前沿领域与公安实践相结合，从而实现科学研究与实验教学相统一。本实验的开展，可让学生接触到学科前沿知识，同时也可有效地将学生所学过的基础理论课程进行融合，提升他们的综合素质，为服务高质量人才培养、服务公安实战奠定基础。