碳纳米粒子固体荧光在刑侦领域的应用

李洪仁,李 依,贾 超,刘诗琪,徐嘉宝,李锦珏

(沈阳大学 师范学院,辽宁 沈阳 110044)

碳纳米粒子固体荧光在刑侦领域的应用

李洪仁,李 依,贾 超,刘诗琪,徐嘉宝,李锦珏

(沈阳大学 师范学院,辽宁 沈阳 110044)

采用苹果酸和草酸铵共热合成了荧光碳纳米粒子(CNPs),并对所合成的CNPs进行了荧光(FL)表征.将荧光碳纳米粒子溶液喷射于模拟刑侦现场痕迹,首次发现覆盖了干燥的CNPs后,在365 nm紫外线照射下,这些痕迹有荧光性质,可以应用于生物印迹检测.进一步将制备的碳纳米粒子与食用淀粉搅拌、复合形成荧光淀粉.荧光淀粉可以发出蓝色荧光,可以将其应用于指纹检测.荧光淀粉作为指纹检测的荧光标记物具有合成快速、无毒、环境友好、成本低廉、灵敏度高、选择性好的特点,与量子点方法相比,荧光淀粉具有很强的优势,是未来潜性指纹测定的一种替代品.

指纹;荧光;淀粉;碳纳米粒子;上转换

荧光碳纳米粒子(CNPs)是近年来发现的一种新型材料,由于其成功地应用在光电设备、生物成像,尤其是活体内标记方面,吸引了越来越多科学家的关注.荧光碳纳米粒子有很多优点,具有激发波长依赖性、优良的发光效率、很强的光耐受性、无毒性、生物相容性、水溶性和环境友好等优良性质.但是它们也有缺点,如发光强度较低,限制了它们的应用领域.据报道,荧光碳纳米粒子与N/S掺杂就可以增强发光性能,因此,无毒掺杂碳纳米粒子的可能有良好的发展前景[1].

荧光碳纳米粒子与棉花、动物皮毛、丝绸等生物材料表面接触时,它们的光致发光可以增强;与玻璃、石头、化纤和塑料等非生物和人工材料接触时,就观察不到光致发光现象.荧光碳纳米粒子的这个属性有望应用于防伪辅助鉴定[2].在法医学领域,犯罪现场的痕迹如血迹、指纹等,是一种重要的法庭物证,是个体特征识别的关键.大多数时候,痕迹在犯罪现场是潜性的,被称为潜性痕迹,所以需要一个成像的检测.例如,法医学专家开发出了一种量子点(量子点一种硫化镉、硒化镉的碳纳米粒子)技术检测潜在的指纹.因为相对于传统的有机染料,荧光量子点具有更好的光稳定性且呈现连续的吸收光谱.所以荧光量子点受到研究者们越来越多的关注,但量子点含有诸如镉、铅等重金属离子,有一定的毒性[3-4].与量子点相比,碳纳米粒子具有较低的细胞毒性和良好的生物相容性,所以碳纳米粒子是生物印记和潜性指纹检测的最佳选择.但是荧光碳纳米粒子有缺点,在干燥固体状态下,很容易失去光致发光,很难做成荧光粉.目前文献中,有很多关于研究荧光碳纳米粒子的制备方法及其应用的报道,但是很少有应用于固体荧光领域.而且现在大多碳纳米粒子的制备方法过程繁琐复杂,荧光量子产率低[5],所以,寻找有效的制备碳纳米粒子的方法显得尤为重要.本文主要探究荧光碳纳米粒子的制备,将其与天然淀粉结合,形成一种荧光粉,将其成功应用于生物印记检测和潜性指纹成像领域.

1 材料和方法

1.1材料

苹果酸、草酸铵,国药集团药品有限公司.实验用水为蒸馏水,淀粉是普通食用淀粉,购买于沃尔玛超市.

1.2仪器和表征

荧光光谱采用日立F4600荧光光谱仪(日本日立公司分析仪器公司,日本).指纹拍摄采用佳能EOS 500D数码相机拍摄,10-55变焦镜头.

1.3荧光碳纳米粒子的制备

按照文献[6]合成碳纳米粒子,称取苹果酸1.0 g,草酸铵1.0 g溶解于盛有少量水的烧杯中,搅拌溶解呈透明溶液,将混合物加热置于210 ℃恒温干燥箱中加热2 h,将产品自然冷却,得一种棕黄色泡沫状的固体,预示碳纳米粒子形成.

1.4荧光淀粉的制备

取1.0 g食用淀粉和0.1 g碳纳米粒子的固体混合在培养皿中,在室温下,加几滴水和10 mL丙酮,超声波搅拌1 h.所得混合物在空气中自然干燥,获得淡黄色粉末,该粉末有光致发光性能,即荧光淀粉.

1.5生物印迹检测和潜性指纹显影

生物印记检测方法如下:首先,生物性液体被滴于陶瓷地板表面,自然干燥,然后用荧光碳纳米粒子溶液喷洒于潜性痕迹的表面,用红外灯烘烤干燥,形成生物印记与荧光碳纳米粒子固体复合物.采用365 nm紫外线荧光灯照射陶瓷地板表面,生物印记复合了碳纳米粒子后发出荧光,没有生物学印记的位置则没有荧光出现,照片采用手机暗光拍摄.这一特性能够使刑侦人员在犯罪现场迅速找到犯罪痕迹.

指纹显影采用粉末刷法,荧光淀粉作为荧光标记物.志愿者的指纹采集方法如下:志愿者用肥皂仔细清洗手指,在空气中干燥,然后,采集手指轻轻在额头上擦拭,轻轻按压在各种物体表面,获得各种潜性指纹[7].将荧光淀粉布撒于潜性指纹表面,用鹅毛刷沿着指纹纹路轻轻掸扫.在365 nm紫外灯下,将显影后的潜性指纹采用佳能EOS 500D数码相机、佳能10-55变焦镜头避光拍摄.

2 结果与讨论

2.1荧光淀粉的发光机理与光谱

普通食用淀粉在日光和365 nm紫外光下照射的结果如图1所示.在日光照射下淀粉呈白色粉末(图1a),在紫外光照射下,呈蓝色,有明显的荧光现象(图1b).通常,碳纳米粒子发出荧光都是在水溶液中,因为它必须与水中的羟基结合才能发出荧光[8].关于碳纳米粒子的固态荧光的报道很少,如果将碳纳米粒子涂布于含有大量的羟基、羧基和氨基的生物材料上,就可以增强其荧光性质,甚至在固态状态发出荧光.例如,文献[9]报道关于碳基荧光墨水就是基于这种相容的原理,使用碳墨水写在纸、棉花、羽毛和皮肤等生物材料上,都显示出良好的荧光性质.淀粉是一种生物材料,包含丰富的羟基,碳纳米粒子覆盖于淀粉上,所以可以观察到碳纳米粒子固态荧光性质.

图1 荧光淀粉在日光下和在365 nm紫外光下的影像Fig.1 Photographs of the fluorescent starch powder under day light and UV radiation at 365 nm

淀粉固态荧光光谱如图2所示,显示一个典型的光致发光现象,波长随着激发波长的变化而改变.下转换中随激发波长的增加荧光发射光谱的波长的峰值逐渐增加.发射光谱在约300～600 nm之间出现广泛.最大发射波长约位于440 nm,荧光激发波长约为360 nm.荧光的颜色为蓝色荧光,波长范围约为440～450 nm,激发波长约在320～400 nm之间.

图2荧光淀粉的荧光光谱
Fig.2 The spectra fluorescent starch with solid-state at different excitation wavelengths

固态的上转换荧光光谱和荧光淀粉如图3所示.发射光谱在400～650 nm范围内出现连续光谱,在470～610 nm范围内出现一个尖峰,这个峰很尖,细长.激发波长在750～900 nm范围内,最大发射波长大约位于567 nm处,此时激发波长为850 nm.固体发光上转换谱与下转换光谱有很大不同,最强的发光呈窄带发射.

图3荧光淀粉固态上转换荧光光谱
Fig.3 Solid-state up-conversion fiuorescent spectra of the as-prepared fluorescent starch at different wavelengths

2.2生物印迹检测和潜性指纹成像

(1) 各种生物印迹的检测.陶瓷地板上的各种生物印迹经碳纳米粒子溶液显影后,在365 nm紫外灯照射下的荧光影像如图4所示.照片表明,在空白陶瓷地板上荧光强烈猝灭,这是因为在干燥的情况下,没有羟基的作用,碳纳米粒子的荧光不能发射.无机型材料都不含羟基,所以碳纳米粒子在干燥的状态下团聚猝灭不能产生荧光,如金属片,石头,玻璃,塑料基板.相比之下,当碳纳米粒子覆盖于生物印迹的时候,由于生物印迹含有蛋白质,即使在干燥的状态下也拥有大量的羟基、羧基和氨基,能够给碳纳米粒子提供发光的周围环境,可以观察到当碳纳米粒子覆盖在生物性材料上有显著的荧光增强,具有荧光显影效果,这个现象表明碳纳米粒子可以用于辅助法医学荧光标记.

图4 365 nm紫外灯照射下陶瓷地板上各种生物印迹的荧光影像Fig.4 Biogenic imprint fluorescence imaging on ceramic flooring under UV radiation at 365 nm(a)—唾液;(b)—尿液;(c)—血;(d)—空白.

(2) 潜性指纹在各种物体表面的检测.潜性指纹显现在各种光滑物体表面的照片如图5所示,通过粉末刷技术以荧光淀粉为标记物,在365 nm紫外灯照射下,可以清晰地看到照片上,指纹的棱纹纹路,没有背景粘连,脊纹和箕纹都能良好显现细节,没有背景染色,对比度增强,便于检测[10].对比分析,指纹在玻璃片表面,黑色抛光石和黑色胶带,如图5a,图5b,图5c所示,在深色背景下,棱纹纹路具有良好的质量;但在浅色背景下如橙色复合地板和白色的搪瓷表面,如图5d,图5e所示,背景有一定强度,对比度较弱,但荧光颜色与背景颜色显著不同,可以清楚地区分干扰背景.这表明荧光淀粉作为指纹标记物有较强的实用性.

在法医科学中,有两种途径使用量子点技术检测潜性指纹,其一是粉末刷方法[11],另一个是溶液浸泡方法[12].所采用量子点通常是硫化镉、硒化镉、碲化镉等.量子点有易被氧化性和有毒的缺点[13],使它们的应用受到了限制.相反,荧光淀粉的制备方法简单、快速、绿色,所得的荧光淀粉复合材料显示出独特的光致发光依赖性能、高荧光效率和强粘结力.荧光碳纳米粒子和淀粉化学性质很稳定,当荧光碳纳米粒子覆盖于淀粉表面,所得复合材料克服了碲化镉量子点在空气中易被氧化导致光致发光的弱化等缺点.因此,有可能将获得的荧光淀粉复合材料用作一系列的替代量子点作为荧光标记物,用于法医学个人身份识别.

图5 在365 nm紫外灯照射下潜性指纹在各种物体表面通过粉末刷以荧光淀粉为标记物的荧光影像

(a)—玻璃片;(b)—黑色胶带;(c)—黑色抛光石头;(d)—橙色复合地板;(e)—白色搪瓷;(f)—锌片.

2.3强荧光背景下的潜性指纹的成像干扰消除

当指纹印在复印纸或广告传单等表面时,由于有很强的荧光背景,365 nm紫外光下的荧光淀粉标记物的荧光影像无法显现.如图6所示,图6a为荧光淀粉在日光下显影的指纹图像,从图像里几乎看不到指纹影像,无法进行指纹测定;图6b为850 nm红外光下的荧光淀粉指纹显影荧光图像,从图像里可以清晰地看到指纹的棱纹,指纹细节被清晰显现,指纹色彩呈黄绿色,这与荧光淀粉的荧光上转换光谱完全一致;图6c为荧光淀粉在365 nm紫外灯下的荧光影像.因为纸张制作时加入大量的荧光染料,荧光染料在365 nm紫外灯下有强荧光发射,极大地干扰了荧光淀粉作为标记物所发出的荧光.从图像里可以看出,在365 nm紫外灯照射下,几乎看不到指纹的影像,无法进行测定.可以通过调整激发光波长的方法避开荧光染料的干扰,实现低背景测定.例如,可以调整激发光波长为850 nm,避开荧光染料在365 nm的紫外灯下的发光,通过滤光片,滤掉光源所发出的红外光实现清晰地成像.通过调整激发光波长,降低测定的干扰性,此方法有较强的抗干扰性.

图6 指纹在广告宣传单上的不同荧光影像Fig.6 Enhanced fingerprints on advertising leaflet irradiated by various light sources

3 结 论

合成了一种碳纳米粒子,研究了其应用,发现将碳纳米粒子溶液喷洒在有生物印记表面形成复合物干燥后有荧光性质,此现象能够辅助检测刑侦现场痕迹.将碳纳米粒子与淀粉复合成荧光淀粉.合成的荧光淀粉复合物具有可调节的光致发光性能、稳定的化学性质.荧光淀粉纳米复合材料有较强的粘附性、容易制备、低成本、绿色环保以及其独特的光致发光性质,将荧光淀粉应用于潜性指纹检测.显现指纹清晰,没有背景粘连,脊纹和箕纹都能良好显现细节,调节激发波长能够避开背景干扰.碳纳米粒子的和荧光淀粉有可能会应用在法医学和刑侦检测上,是替代量子点的最佳选择.

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ApplicationofCarbonNanoparticlesSolidFluorescenceinCriminalInvestigation

LiHongren,LiYi,JiaChao,LiuShiqi,XuJiabao,LiJinjue

(Normal College,Shenyang University,Shenyang 110044,China)

Fluorescent carbon nanoparticles(CNPs) were synthesized by malic acid and ammonium oxalate,and the synthesized CNPs were characterized by fluorescence(FL).The fluorescent carbon nanoparticles solution was sprayed on the trace of the criminal investigation site.It was first discovered that these traces were fluorescent and can be applied to biomarker detection at 365 nm after UV-covered CNPs.The prepared carbon nanoparticles were further agitated with edible starch to form fluorescent starch.Fluorescent starch can emit blue fluorescence and can be applied to fingerprint detection.Fluorescent starch as a fingerprint detection of fluorescent markers with the synthesis of fast,non-toxic,environmentally friendly,low cost,high sensitivity,and good selectivity characteristics,compared with the quantum dot method,fluorescent starch has a strong advantage,is the future potential of a candidate fingerprint determination.

fingerprints;fluorescent;starch;carbon nanoparticles;up-conversion

2017-07-10

辽宁省自然科学基金资助项目(201602517).

李洪仁(1964-),辽宁沈阳人,沈阳大学教授.

2095-5456(2017)05-0353-05

O 613.71

A

【责任编辑:李艳】