基于疏水性TiO2纳米颗粒的悬浮液手印显现研究

陈世韬，张丽梅，2，张冬冬，张忠良，2，唐玮

(1.中国刑事警察学院 刑事科学技术学院(法庭科学学院)，辽宁 沈阳 110035；2.痕迹检验鉴定技术公安部重点实验室， 辽宁 沈阳 110035；3.中国刑事警察学院 公安信息技术与情报学院，辽宁 沈阳 110035)

案件现场的潜在手印需经显现后才可用于侦查及鉴定[1-7]。随着纳米材料的迅速发展[8-14]，手印纳米显现技术因高对比度、高灵敏度、高选择性和低DNA毒性等优势，已成为法庭科学的研究热点。但纳米粉末显现法[15-17]因粉末扬尘、非特异性吸附和易团聚及絮凝而在应用中受限[18-19]，纳米颗粒悬浮液可克服上述缺点。

本文利用N-辛基三甲氧基硅烷对TiO2纳米颗粒表面进行改性，制备了TiO2纳米颗粒悬浮液并应用于手印显现。研究了反应温度及时间对纳米颗粒接枝效率和亲油化度的影响，并通过光学显微镜、傅里叶变换红外吸收谱和扫描电子显微镜分析经显现的手印，考察显现效果并优化配制方法。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

二氧化钛纳米粉末(粒径≤20 nm)、硅烷偶联剂N-辛基三甲氧基硅烷(简称KH-318，CAS号为3069-40-7)、甲醇、无水乙醇、冰醋酸均为分析纯；蒸馏水。

SH-4型双显加热磁力搅拌器；Spectrum One傅里叶变换红外光谱仪；FS-C徕卡比较显微镜；PL203电子天平；Nova200 NanoLab扫描电子显微镜；TD5A-WS离心机；DS-8510DT超声振荡器；数码单反相机。

1.2 表面改性的二氧化钛纳米颗粒悬浮液的配制

称取0.250 g TiO2纳米颗粒，加入50.0 mL甲醇，溶解15 min。随后将混合物放入磁力搅拌器中，在700 r/min的转速下搅拌30 min。加入0.5 mL冰醋酸和0.1 mLN-辛基三甲氧基硅烷(KH-318)，在45 ℃的反应条件下使混合物保持回流，随后用离心机在10 000 r/min的转速下常温离心10 min。用无水乙醇和水洗涤至少2次，以去除过量的KH318，100 ℃下真空干燥24 h，并在室温下冷却1 h。对改性的TiO2纳米颗粒进行傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析。

为将改性后的TiO2纳米颗粒重新分散在水溶剂中，将其放入超声振荡器中1 min，以确保悬浮液良好的分散性。此时悬浮液在室温条件下储存时稳定良好，可保存半年甚至更长时间。

1.3 沉降实验测定

为确定TiO2纳米颗粒改性前后的表面性质，考察反应温度和反应时间对TiO2纳米颗粒疏水性的影响，测量不同反应温度和时间下改性的TiO2纳米颗粒样品的亲油化度(LD)，LD的大小是评价改性效果的标准之一。沉降实验测量可在一定程度上评价改性的TiO2纳米颗粒的亲水性和疏水性。

将0.500 g TiO2纳米颗粒分散在50.0 mL蒸馏水中，未经改性的TiO2纳米颗粒在水中沉淀，而与 KH318接枝的改性的TiO2纳米颗粒悬浮在水面上。当甲醇缓慢地滴入水中时，改性后的TiO2纳米颗粒被逐渐湿润，从而逐渐沉淀。记录消耗的甲醇体积，并根据以下公式计算亲油化度[20]。

其中，LD(%)为改性后TiO2纳米颗粒的亲油化度，V(mL)为实验中加入甲醇的体积。

1.4 潜在手印样本的制作与显现

随机选取一名志愿者，用洗手液清洗干净双手，自然晾干，并静候20 min。随后使志愿者的手指轻轻按压在铝箔上，以制作形成多个潜在手印。

将潜在手印样本直接浸入改性的TiO2纳米颗粒悬浮液中，停留1 min或更长时间后，取出样本，用清水轻轻冲洗2～3次，以清除客体表面多余的悬浮液残留物，随后在室温下自然干燥或使用吹风筒适当烘干，并用数码单反相机对经显现的手印样本进行拍照固定。使用扫描电子显微镜(SEM)对手印的样本进行表征，考察悬浮液对手印相关物质的靶向性黏附能力。

2 结果与讨论

2.1 硅烷偶联剂的作用原理

TiO2是一种新型高性能无机材料，具有独特的物理化学特性，是化学等领域应用广泛的材料之一[21-24]。但由于其较高的表面能[25-26]，易发生纳米颗粒的团聚，并与表面能较低的有机物亲和性较差，二者混合接触时无法相容，并使界面出现空隙，影响了其性能及应用。但TiO2纳米颗粒的表面积大，表面键态和电子态不同于粒子内部，且配位不全，使得悬键大量存在，同时为使用化学反应等方法对其粒子表面进行改性提供了基础。

对TiO2纳米颗粒进行疏水改性可优化其性能，常见方法包括偶联剂法、酯化法和表面活性剂法等[27]。其中偶联剂法是通过偶联剂的水解与TiO2纳米颗粒表面羟基发生反应，使表面由亲水性变成疏水性。N-辛基三甲氧基硅烷偶联剂是分子中同时具有两种不同的反应性基团的有机硅化合物，可以形成无机相-硅烷偶联剂-有机相的结合层，从而使有机物与无机材料界面间获得较好的吸附强度[28]。

以上结合层就像是偶联剂在无机和有机物质界面之间架起了一座“分子桥”而将两种性质悬殊的材料连接在一起，也即在手印显现时将显现材料与手印物质连接在一起。故改性的TiO2纳米颗粒在显现过程中可选择性地吸附手印中的脂类等有机物，使经显现的手印乳突纹线清晰且连贯，而背景和小犁沟均不着色，反差效果明显。

2.2 悬浮液手印显现的原理

潜在手印中的中介物质是手印显现的物质基础，包括汗液、皮脂、血液、油、灰尘、精液、阴道分泌物、唾液和饮料等[29]，现场的潜在手印多为由皮脂和汗液形成的混合介质手印。

经改性后的TiO2纳米颗粒悬浮液，其TiO2纳米颗粒因疏水作用而与手印中的物质，尤其是与其中的脂类等物质发生特异性结合，实现了纳米颗粒与手印乳突纹线之间的靶向性黏附能力。而无中介物质或中介物质较少的小犁沟基本无TiO2纳米颗粒的选择性附着，实现了乳突纹线与小犁沟之间的明显视觉反差，即将潜在手印清晰显出，见图1。

图1 基于疏水性TiO2纳米颗粒的悬浮液手印显现原理Fig.1 The mechanism of latent fingerprint development based on hydrophobic TiO2 nanoparticle suspension

2.3 配制条件与亲油化度

2.3.1 反应温度的影响 反应时间1 h，反应温度对TiO2纳米颗粒亲油化度的影响见图2。

图2 反应温度对改性的二氧化钛纳米颗粒 亲油化度的影响Fig.2 The influence of reaction temperature on lipophilic degree of the modified TiO2 nanoparticles

由图2可知，随着温度的逐渐提升，KH318与TiO2纳米颗粒的接触几率增强，亲油化度随着温度的升高而增加，并在45 ℃时达到其最大值。但随着温度的进一步提升，亲油化度反而逐渐降低，即单分子层吸附在45 ℃的反应温度下达到平衡。亲油化度在高于45 ℃时逐渐下降的原因考虑为温度过高会使TiO2纳米颗粒之间的热运动加剧，颗粒发生碰撞而团聚。此外，过高的温度也会使偶联剂自聚，故改性的相对接枝率和亲油化度有所下降。综上，当反应温度为45 ℃时，改性的TiO2纳米颗粒悬浮液的效果最好。

2.3.2 反应时间的影响 反应温度为45 ℃，反应时间对TiO2纳米颗粒悬浮液亲油化度的影响，见图3。

图3 反应时间对改性的二氧化钛纳米颗粒 亲油化度的影响Fig.3 The influence of reaction time on lipophilic degree of the modified TiO2 nanoparticles

由图3可知，反应开始时，由于TiO2纳米颗粒的表面物理吸附作用以及KH318与TiO2纳米颗粒表面羟基之间的化学作用，使得KH318接枝到TiO2纳米颗粒的量增加。随着反应时间的增加，亲水性随TiO2纳米颗粒表面羟基量的下降而逐渐下降，但改性的TiO2纳米颗粒的亲油化度逐渐增加。当反应时间达到2 h时，单分子层吸附达到平衡，亲油化度达到最大值。但随着反应时间的进一步延长，改性的TiO2纳米颗粒的亲油化度值反而逐渐降低。其原因考虑为KH318以物理吸附作用吸附在TiO2纳米颗粒表面时，可能会形成表面胶团，故影响了TiO2纳米颗粒的改性效果。综上，当反应时间为 2 h 时，改性的TiO2纳米颗粒悬浮液的效果最好。

将未改性的TiO2纳米颗粒通过搅拌与水混合时，TiO2纳米颗粒分散在水中，表明纳米颗粒表面是亲水性的。而改性后的TiO2纳米颗粒漂浮在水面上，表明TiO2纳米颗粒表面是疏水性的。将甲醇滴到水中后搅拌，漂浮在水面上的TiO2纳米颗粒被甲醇浸湿并沉淀下来，同时计算亲油化度。实验结果表明TiO2纳米颗粒经改性后，其表面性能从亲水性改为疏水性，且反应温度和反应时间均影响了TiO2纳米颗粒的亲油化度。综上，当反应温度为 45 ℃ 时，且反应时间为2 h时，改性后的TiO2纳米颗粒表面的KH318接枝效率最高，亲油化度的值也最高。

2.3.3 傅里叶变换红外光谱分析 使用傅里叶变换红外光谱仪对25，35，45 ℃三种反应温度改性TiO2纳米颗粒进行FTIR分析，考察TiO2纳米颗粒表面官能团的变化，结果见图4。

图4 改性的二氧化钛纳米颗粒在不同反应 温度下的FTIR光谱Fig.4 FTIR spectra of the modified TiO2 nanoparticles under different reaction temperatures

由图4可知，用KH-318改性的TiO2纳米颗粒光谱在1 638，2 853，2 921，3 302 cm-1处存在特征吸收峰；TiO2纳米颗粒的Ti—O和Ti—O—Ti的结合[29]，由于其过饱和吸收而被忽略，所以其峰值仅在700 cm-1以下；在3 000～2 800 cm-1处有不对称和对称的C—H伸缩振动。

实验结果表明，当反应温度达45 ℃且反应时间为2 h时，KH318对TiO2纳米颗粒的功能作用良好，有机官能团通过Ti—O—Si化学键成功地接枝到TiO2纳米颗粒的表面，此时KH318接枝到TiO2纳米颗粒表面的效果最好。在纳米功能单体制备的过程中，偶联剂先水解，然后脱水缩合形成低聚物，由此可将偶联剂覆盖在纳米颗粒表面以达到改性的目的。

2.4 显现手印的图像分析

经表面改性的TiO2纳米颗粒因新增的较强表面吸附效应，以及表面改性基团较强的特定物质靶向吸附能力，使手印显现灵敏度更高。但不同温度下反应的悬浮液显现效果有所差异，图5为在25，45，55 ℃三种温度下改性的TiO2纳米颗粒显现的手印图像。

图5 改性的二氧化钛纳米颗粒悬浮液在不同温度 且反应时间为2 h时显现的指纹图像Fig.5 The fingerprints developed by the modified TiO2 nanoparticles suspension under different fabrication temperatures at the fabrication time up to 2 h

由图5可知，当温度在25 ℃时，显现效果一般，小犁沟与乳突纹线之间的界线模糊或不完整，汗孔等三级特征不清晰，部分手印区域的物质未能与显现剂有效结合；当温度在55 ℃时，整体指纹种类及细节特征可被识别，但部分乳突纹线未能被显出而不完整，汗孔等三级特征出现缺失；当温度在45 ℃时，指纹显现完整，纹线连贯清晰，种类特征和细节特征清晰可辨，指纹对比度和反差较强，达到同一认定的标准，潜在手印的特征较其他温度下反映最好。图5e不仅显示了指纹检验鉴定中重要的种类特征，而且清晰反映了起点、终点、分歧和结合等细节特征。细节特征(二级特征)不仅是同一认定的关键依据，而且可在指纹自动识别系统(AFIS)通过数据库识别匹配及特征比对。在较高的放大率下，如图5f所示，从清晰的图像度中反映出了汗孔的形态和乳突纹线的轨迹以及边缘形态等三级特征，这类特征在后续AFIS中可被有效识别，并辅助应用于指纹检验鉴定中。

2.5 扫描电子显微镜表征显现手印的微观结构

使用扫描电子显微镜对改性的TiO2纳米颗粒悬浮液显现的手印样本的微观结构进行表征，图6为其SEM图像，显示了改性的TiO2纳米颗粒在手印乳突纹线和硅基质上的不同附着情况。

由图6可知，改性的TiO2纳米颗粒对手印表面的油质等具有良好的选择性黏附，优化后的TiO2纳米颗粒显示了对乳突纹线区域更大的吸附能力和对承痕客体背景的无吸附效果。图6中曲线显示了经显现手印中乳突纹线与小犁沟之间的明显对比，曲线以上部分为附着有改性的TiO2纳米颗粒的乳突纹线，而曲线以下部分为干净无颗粒附着的小犁沟部分。

图6 二氧化钛纳米颗粒悬浮液在优化条件下显现的 潜在手印的扫描电子显微镜图Fig.6 SEM images of latent fingerprint developed by the TiO2 nanoparticle suspension under optimized conditions

3 结论

采用硅烷偶联剂(KH-318)对TiO2纳米颗粒进行改性，制备了TiO2纳米颗粒悬浮液。根据亲油化度的计算、光学显微镜观察、FTIR分析和SEM表征的结果表明，反应温度为45 ℃且反应时间达2 h时，改性的TiO2纳米颗粒的疏水性最好，实现了纳米颗粒的有效悬浮，对手印表面的油质或脂类等物质具有良好的选择性黏附，基于疏水性TiO2纳米颗粒的悬浮液可有效应用于法庭科学中潜在手印的显现。

此外，TiO2纳米颗粒悬浮液除具有高灵敏度的靶向吸附能力且与手印物质可结合牢固的优点外，该法采用了溶液显现的方式，不仅操作简便、时效性强和适用性广，而且避免了纳米颗粒扬尘的产生，无论是实验还是显现的过程中均无污染且无毒害，有效保护了实验室及一线实战人员的生命健康。