基于Box-Behnken法的靶向指紋MoS2微粒懸浮液

張忠良 穆安冬 張麗梅 于超越

（中國刑事警察學(xué)院痕跡檢驗(yàn)技術(shù)系 遼寧 沈陽 110035）

當(dāng)前，犯罪分子作案手段日趨復(fù)雜化與隱蔽化，給尋找、發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場指紋增加了難度，也為現(xiàn)場指紋的顯現(xiàn)與提取帶來新的難題。隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，一些納米材料如MoS2、納米金、TiO2、Al2O3等不斷應(yīng)用到指紋顯現(xiàn)領(lǐng)域中[1-2]。

傳統(tǒng)的MoS2顯現(xiàn)指紋的方法是將MoS2與十二烷基硫酸鈉按照一定比例混合水中制成懸浮液，采用浸泡后漂洗技術(shù)將指紋顯現(xiàn)出來[3]。目前，該技術(shù)仍需解決的是顯現(xiàn)靈敏度不高，顯現(xiàn)物質(zhì)與指紋物質(zhì)吸附能力較弱等。本文主要從增強(qiáng)顯現(xiàn)物質(zhì)與指紋物質(zhì)的結(jié)合力方面考慮，采用一種新型表面活性劑，研制出新型MoS2指紋顯現(xiàn)懸浮液。該方法可明顯提高顯現(xiàn)物質(zhì)與指紋物質(zhì)吸附能力，有限改善MoS2懸浮液的顯現(xiàn)效果，對于現(xiàn)場指紋顯現(xiàn)具有較高的應(yīng)用價值。

1 儀器與試劑

PL-203電子天平（梅特勒-托利多儀器有限公司）；SH-4型雙顯加熱磁力攪拌器（上海精鑿科技有限公司）；佳能EOS-500D數(shù)碼相機(jī)；MoS2（3000目）；新型表面活性劑；蒸餾水。

2 樣本制作

隨機(jī)選擇一名志愿者，用肥皂清洗雙手后自然晾干，30min后，分別在瓷磚、塑料片、鋁合金上捺印指紋，每組17枚實(shí)驗(yàn)樣本。

3 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計

3.1 考察指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)

以紋線連貫性、清晰度、背景染色和整體反差為考察指標(biāo)，每個指標(biāo)分值為0-5分，4個指標(biāo)分值相加的和為該懸浮液顯現(xiàn)某一種客體的總分。塑料片、鋁合金、瓷磚3個最具代表性的現(xiàn)場客體最后相加的和為新型MoS2指紋顯現(xiàn)懸浮液顯現(xiàn)指紋效果的綜合評分，評分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 顯現(xiàn)效果評價指標(biāo)及分值

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

利用Design-Expert 8.0.5軟件進(jìn)行Box-Behnken實(shí)驗(yàn)，根據(jù)Box-Behnken響應(yīng)面法的設(shè)計原理，在單因素考察的基礎(chǔ)上，選取對顯現(xiàn)效果影響較為顯著的MoS2濃度、新型表面活性劑的濃度、攪拌時間3個影響因素，在3個水平上建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化研究。本設(shè)計共有17個實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，分為12個析因點(diǎn)和5個零點(diǎn)[4-6]。實(shí)驗(yàn)中每個因素的低、中、高三水平分別記作-1、0、+1。實(shí)驗(yàn)中各因素的各個水平值見表2。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計因素水平表，以隨機(jī)次序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計表及響應(yīng)值結(jié)果見表3。

表2 Box-Behnken 實(shí)驗(yàn)設(shè)計的因素和水平

表3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計表及響應(yīng)值

3.3 指紋顯現(xiàn)效果

根據(jù)表3中各因素的值配置懸浮液，分別顯現(xiàn)鋁合金、瓷磚、塑料片上的汗?jié)撝讣y，部分顯現(xiàn)效果見圖1、2、3。

圖1 瓷磚表面汗?jié)撝讣y顯現(xiàn)效果圖（a、b、c分別為實(shí)驗(yàn)第5、8、17組）

圖2 塑料片表面汗?jié)撝讣y顯現(xiàn)效果圖（a、b、c分別為實(shí)驗(yàn)第2、8、14組）

圖3 鋁合金表面汗?jié)撝讣y顯現(xiàn)效果圖（a、b、c分別為實(shí)驗(yàn)第2、4、9組）

3.4 響應(yīng)面模型構(gòu)建

基于方差分析和回歸分析對響應(yīng)面模型的構(gòu)建進(jìn)行序貫分析，得到的模型評價指標(biāo)值如表4所示。

表4 響應(yīng)面模型序貫分析

從表4可以看出，隨著模型階數(shù)的增加，相關(guān)系數(shù)R2逐漸增大，擬合效果越來越好。但是，二階模型P值變大，模型不顯著性逐漸提高，同時失擬項開始顯著；三階模型由于擬合回歸方程相對較為復(fù)雜，實(shí)際預(yù)測值應(yīng)用并不方便，因此考慮線性模型和二因素交互關(guān)系模型（2FI）模型。一階線性模型和2FI的P值都非常小，失擬項P不顯著，2FI相關(guān)系數(shù)R2更接近于1，同時為了討論兩因素的交互影響，因此選用2FI模型。

4 響應(yīng)面分析

4.1 方差分析

對表3數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，最終擬合方程為：P=+39.41+5.75A-7.88B-0.13C-1.75AB+2.25AC+1.00BC。方程中各項系數(shù)絕對值的大小直接反映了各因素對指標(biāo)值的影響程度，系數(shù)的正負(fù)反映了其影響的方向。由方程可知，各因素對指紋顯現(xiàn)效果的影響是B>A>C，即新型表面活性劑濃度> MoS2濃度>攪拌時間。該模型方差分析見表5。

表5 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方差分析

模型方差分析結(jié)果表明：回歸方程P值僅為0.0015，模型顯著，同時失擬項P>0.05，不顯著。擬合優(yōu)度系數(shù)R2=0.8427。變異系數(shù)（CV/%）值越低，表示實(shí)驗(yàn)變異性越小、穩(wěn)定性越好，本實(shí)驗(yàn)中為9.79%，說明實(shí)驗(yàn)方案可行。模型中A、B項影響顯著，其次是AC。2FI模型的殘差正態(tài)概率分布如圖4所示，數(shù)據(jù)基本分布在一條直線上，說明模型實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測值誤差較小。

圖4 殘差正態(tài)概率分布圖

4.2 兩因素交互影響分析

從圖5曲面的形狀和變化可以看出三因素影響顯著。綜合3個圖分析，固定MoS2濃度（如圖5a）或攪拌時間（如圖5c）顯現(xiàn)效果隨著表面活性劑濃度的增加而提高，說明表面活性劑濃度與顯現(xiàn)效果呈負(fù)相關(guān)。同理，根據(jù)圖5a和圖5b、圖5b與圖5c，可以得出MoS2與攪拌時間與顯現(xiàn)效果呈正相關(guān)關(guān)系。

圖5 兩因素交互影響關(guān)系圖

4.3 模型求解與驗(yàn)證

通過Design-Expert 8.0.5軟件對方程分析計算，最終確定優(yōu)選方案的新型MoS2懸浮液最佳配方為：MoS26.00g、新型表面活性劑0.3mL、蒸餾水50mL、攪拌時間0.5h，綜合評分為55.9102，置信度為87.2%。說明Box-Behnken響應(yīng)面法可用于優(yōu)化新型MoS2指紋顯現(xiàn)懸浮液的配制。

根據(jù)優(yōu)選配方配制MoS2指紋顯現(xiàn)懸浮液，分別顯現(xiàn)塑料片（a、b）、地板革（c、d）、瓷磚（e、f）、鋁箔（g、h）上的汗?jié)撝讣y，并與傳統(tǒng)配方法的MoS2懸浮液顯現(xiàn)指紋作比較，顯現(xiàn)效果對比如圖6。

圖6 新型MoS2指紋顯現(xiàn)懸浮液與傳統(tǒng)MoS2懸浮液顯現(xiàn)效果比較

根據(jù)圖6可以看出，相比常規(guī)MOS2懸浮液，新型MOS2指紋顯現(xiàn)懸浮液與手印物質(zhì)吸附能力更強(qiáng)，顯現(xiàn)的指紋紋線連貫性強(qiáng)、清晰度高、背景染色不明顯、整體反差大。

5 結(jié)論

本研究在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken設(shè)計法設(shè)計實(shí)驗(yàn)，研究各因素之間的交互作用，并通過統(tǒng)計分析對模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)優(yōu)化出佳組合和最優(yōu)響應(yīng)值。結(jié)果表明采用 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計優(yōu)化新型MoS2指紋顯現(xiàn)懸浮液的方法穩(wěn)定可行，并得出顯現(xiàn)效果最佳配比為：MoS2（3000目）6.00g、新型表面活性劑0.3mL、蒸餾水50mL、攪拌時間0.5h。

本實(shí)驗(yàn)研制的新型MoS2指紋顯現(xiàn)懸浮液與傳統(tǒng)MoS2懸浮液相比，顯現(xiàn)靈敏度更高，吸附能力更強(qiáng)，操作更加簡單，顯出指紋紋線的連貫性、清晰度、指紋反差都有很大的提高，適用于非滲透性客體指紋的顯現(xiàn)，具有較高可操作性和實(shí)用價值。

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