納米材料在指印殘留物分析中的應(yīng)用

顏 磊，喻彥林,2,*

（1. 西南政法大學刑事偵查學院，重慶高校物證技術(shù)工程研究中心，重慶 401120；2.重慶大學生物工程學院，重慶 400044）

指紋技術(shù)，一直是刑事技術(shù)中最為重要的技術(shù)手段之一。然而，長期以來對指印信息的利用，多數(shù)集中于紋型、細節(jié)特征等形態(tài)學方面，對指印理化屬性蘊含的微量物證信息，卻由于技術(shù)局限等因素，重視不足。指印殘留物可反映遺留者個人的生物信息與社會信息[1-2]，對于偵查范圍的劃定、嫌疑人的摸排與身份的確認具有重要意義。目前已有多個研究組報道了指印殘留物中人體代謝物、毒品及其代謝物以及爆炸物的分析檢測研究工作[3-13]，這方面課題是指紋學、微量物證領(lǐng)域的研究熱點之一，值得刑事技術(shù)人員重點關(guān)注。

納米材料由于在微觀形態(tài)、光學特性、磁學特性、生物相容性等方面具有獨特性質(zhì)與優(yōu)勢，已在潛指印顯現(xiàn)領(lǐng)域展現(xiàn)出了較好的效果，并引起了研究者的廣泛重視。同時，納米材料可作為熒光標記物、磁性載體、特異性物質(zhì)（如抗體）的載體或者催化劑，在指印殘留物成分分析中發(fā)揮熒光標記、磁性固載、生物放大等作用，有助于其中微量物質(zhì)的分析檢測。本文綜述了納米材料在指印中的常見指印物質(zhì)、毒品及其代謝物檢測、爆炸品檢測等方面的研究進展。

1 指印殘留物提供的遺留者信息

指印殘留物的成分一般分為兩類：一是內(nèi)源性物質(zhì)，即人體自身的代謝物，如汗液、油脂以及食物和藥物的代謝產(chǎn)物等。二是外源性物質(zhì)，如隨著遺留者手指接觸客體表面轉(zhuǎn)移到指印中的粘附物，如毒品、爆炸物等違禁物品以及泥土、花粉和灰塵等。通過對指印殘留物的分析，不僅可能獲得有關(guān)遺留者的遺傳信息、生物信息（如性別、年齡、血型等），還有可能獲得健康狀況、飲食習慣、職業(yè)特征、居住環(huán)境等生活信息以及遺留指印前的活動信息。

2 納米材料的基本特性

納米材料是指具有納米結(jié)構(gòu)的材料，即在納米尺度內(nèi)調(diào)控物質(zhì)結(jié)構(gòu)制成的具有特異性能的材料[14]，其基本單元通常至少有一維處于納米尺度范圍（0.1～100 nm）。納米材料特殊的結(jié)構(gòu)和超小的尺寸，使其表現(xiàn)出了一系列宏觀材料所不具有的特異性能，如表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)以及宏觀量子隧道效應(yīng)等[15-16]。隨著納米材料以及納米技術(shù)的不斷發(fā)展，其在法庭科學領(lǐng)域的多個方面發(fā)揮著越來越重要的作用，受到研究者的廣泛關(guān)注[17]。如對射擊殘留物、爆炸殘留物的分析，DNA分析，火災(zāi)事故現(xiàn)場調(diào)查，毒物、毒品分析檢驗，文書檢驗以及痕跡檢驗（尤其是潛指印顯現(xiàn)與手印物質(zhì)的分析）等等[18-26]。

3 納米材料在指印殘留物分析中的應(yīng)用

指印殘留物具有量小體微、相對濃度較低、穩(wěn)定性較差、易污染等特點，對其進行有損分析時應(yīng)盡可能減少取樣量。因此，檢測方法的靈敏度顯得十分重要。同時，刑事技術(shù)的特殊性也要求分析方法具備快速、準確的特點。采用納米材料及納米技術(shù)進行指印殘留物分析，可在對目標化合物的富集、檢測特異性的提高、抗干擾能力的增強、檢測信號的放大以及減小毒性、增加生物相容性、環(huán)境友好等方面發(fā)揮積極的作用。研究者們基于多種納米材料，建立了多種靈敏度高、分析速度快、結(jié)果準確可靠的方法。

3.1 在常見指印殘留物分析中的應(yīng)用

指印殘留物中的正常人體代謝物除了大部分的水和少量的無機鹽外，還有氨基酸、油脂、脂肪酸等有機物，通過對這類物質(zhì)的分析檢測，可為判斷遺留者的性別、年齡、血型等提供依據(jù)。

Rowell研究小組曾以疏水硅顆粒為顯現(xiàn)劑、增強劑，對潛指印進行了顯現(xiàn)并對其中的毒品及其代謝物進行了表面輔助激光解吸離子化飛行時間質(zhì)譜(Surface-Assisted Laser Desorption/ Ionization Timeof-Flight Mass Spectrometry，SALDI-TOF/MS)分析。但由于疏水性物質(zhì)的存在影響了極性物質(zhì)的離子化效率，進而降低了檢測靈敏度，使該方法不能直接分析指印中的氨基酸等親水性成分[27-28]。盡管有研究者采用GC/MS對指印物質(zhì)中的氨基酸成分進行了分析，但進行色譜分析之前仍需復(fù)雜繁瑣的萃取和衍生[29]。為了解決這一問題，Lim等[30]制備了具有磁性內(nèi)核的硅納米粒子，并對其進行疏水/親水修飾后作為磁性固相萃取（MSPE）的吸附劑，分別對指印殘留物中的親油性物質(zhì)（如脂肪酸、油脂等）以及親水性物質(zhì)（如氨基酸等）進行萃取吸附，隨后將其作為表面輔助劑直接用于SALDI-TOF/MS分析。在該研究中，基于磁性硅納米粒子構(gòu)建的MSPE吸附劑同時亦是增強劑，省去了質(zhì)譜分析前的洗脫步驟，可減少樣品損失、縮短預(yù)處理時間，有助于提高檢測靈敏度和分析速度。

除了通過對納米粒子進行表面修飾來制備MSPE吸附劑，用于氨基酸、油脂成分的吸附和富集外，研究者們還基于具有表面增強拉曼（SERS）活性的金納米粒子設(shè)計、組裝了便攜式測試片，用于指印殘留物的拉曼光譜分析。2015年Qin研究小組[31]以無碎片、超高純度的氨基功能化硅藻土為模板，通過靜電相互作用將由檸檬酸穩(wěn)定的金納米粒子均勻、密集地組裝于其上，隨后將固載金納米粒子的硅藻土顆粒壓制成紐扣狀用于分析檢測（圖1）。研究者們對此三維有序的測試片進行了增強倍數(shù)、重復(fù)性以及長期穩(wěn)定性的評價。該方法不僅成本低廉、使用方便，無需進一步的培養(yǎng)，而且通過選擇兩種尺寸適宜〔（18±2.4）nm和（32±5.4）nm〕的金納米粒子作為增強劑，既保證了較好的SERS活性，又可均勻、密集地粘附和分布在模板上；同時有序的組裝也意味著良好的重現(xiàn)性；功能化的硅藻土壓制成固定尺寸的紐扣狀（直徑為13 mm，厚度為2 mm），既便于攜帶又適合于現(xiàn)場檢測。

圖1 紐扣式便攜測試片的組裝及其在指印殘留物SERS檢測中的原理示意圖[31]Fig.1 Schematic diagram of the assembly of Au-nanoparticles onto amino-functionalized diatomaceous earth template and the fabricated button-like portable tablet for SERS detection of the chemical composition from eccrine sweat in latent fingerprints

該測試片被成功用于汗?jié)撝赣埩粑锏姆治鲋衃31]。志愿者分別在上述測試片、負載等量相同金納米粒子的玻片以及空白玻片上留下汗?jié)撝赣?，隨后分別采集拉曼光譜。圖2展示了不同基底上汗?jié)撝赣〉睦庾V圖。a中的峰數(shù)目及強度均高于b，意味著以固載金納米粒子陣列的硅藻土制備的測試片為基底，有利于獲取更加精細和豐富的光譜信息；而若基底中不含金納米粒子，即使增強激發(fā)光源的強度至10倍，拉曼光譜中仍然幾乎沒有可用的信息（見圖2c）。該法利用了金納米粒子的SERS活性，增強的光譜信號提供了豐富的化學成分信息，有望用于指印殘留物中痕量化合物的分析，為偵查和醫(yī)學診斷服務(wù)。

3.2 在毒品及其代謝物檢測中的應(yīng)用

涉毒人員往往因接觸或吸食毒品，而使其指印殘留物中存在毒品及其代謝物。因此，對此類物質(zhì)的分析檢測，有助于偵查人員明確案件性質(zhì)、確定偵查范圍和方向，為訴訟提供證據(jù)。

金納米粒子除了具有特殊的光學特性外，還具有較好的生物相容性，可廣泛地應(yīng)用于多種免疫分析方法中。2007年，Leggett研究小組[11]提出采用抗體修飾的納米顆粒與指印殘留物中的抗原物質(zhì)進行特異性的免疫結(jié)合，推測遺留者的個人信息。研究中選用指印殘留物中的可替寧（尼古丁在人體內(nèi)的代謝產(chǎn)物）作為目標化合物，將抗體修飾過的金納米溶液涂覆在潛指印表面，溫孵后洗去未結(jié)合的金納米顆粒，再加入具有熒光的二抗進行溫孵。若指印為吸煙者所留，其汗液中含有的少量可替寧（抗原）與修飾在金納米顆粒上的特異性抗體結(jié)合，再通過熒光二抗的顯現(xiàn)，可在顯現(xiàn)潛指印的同時，指示該指印為吸煙者所留（如圖3）。通過這一思路，可建立不同的方法利用潛指印甄別吸煙者、吸毒者以及某種疾病患者，刻畫行為人的人身特點，為確定案件的偵查方向提供線索和依據(jù)。這一里程碑式的研究報道，開啟了人們在顯現(xiàn)潛指印的同時通過對指印殘留物的分析獲得多維信息的研究序幕。

圖2 基于不同基底的汗?jié)撝赣ERS光譜圖[31]（a：實驗中制備的紐扣狀測試片，b：負載等量相同金納米粒子的玻片，激發(fā)波長：638 nm，激光功率：1 mW；c：空白玻片，激發(fā)波長：638 nm，激光功率：10 mW）Fig.2 SERS spectrums of eccrine sweat in a latent fingerprint after the subtraction of the substrate interference, acquired from (a：the button-like portable SERS substrate composed of 32±5.4 nm Au nanoparticle arrays on diatomaceous earth template； b：a glass substrate covered with same amount of 32±5.4 nm Au nanoparticles as a's. Excitation wavelength: 638 nm; laser power: 1 mW. c：Raman spectrum of eccrine sweat in a latent fingerprint acquired from a glass substrate. Excitation wavelength: 638 nm; laser power: 10 mW)

圖3 上：可替寧抗體標記納米金復(fù)合物的示意圖。下：男性吸煙者出汗40分鐘后拇指指印經(jīng)Alexa熒光546-標記二抗顯現(xiàn)后的熒光圖片，（a）～（c）中的比例尺分別代表：5、2和1 mm [11]Fig.3 Top: representative of the antibody–nanoparticle conjugates. The conjugates were formulated by protein A, a biological linker, to join the anti-cotinine antibody onto gold-particle surface.Bottom: the images, from the thumb of a male smoker 40 min after sweating, were illuminated by an Alexa Fluor 546- tagged secondary antibody fragment at the scale of (a)～(c) 5, 2 and 1 mm

2009年，Wolfbeis[32]選用磁性納米顆粒為載體，利用吸毒者指印殘留物中抗原物質(zhì)，即可卡因代謝產(chǎn)物苯甲酰芽子堿（BzECG）與固載于磁性納米顆粒上抗體之間的特異性結(jié)合，基于免疫熒光標記技術(shù)，實現(xiàn)了BzECG潛指印的顯現(xiàn)。原理如圖4所示：首先將可與BzECG結(jié)合的一抗修飾在磁性納米顆粒之上，利用一抗與指印殘留物中BzECG之間的免疫反應(yīng)，將磁性納米顆粒結(jié)合在指印殘留物上，用磁性刷除去多余的磁性納米顆粒，隨后利用熒光標記的二抗對潛指印進行顯現(xiàn)，最終可觀察到具有紅色熒光的指印圖案，而未吸毒者的指印則不會出現(xiàn)紅色熒光。磁性納米顆粒經(jīng)表面修飾后，可較好地與抗體進行結(jié)合，且可通過外加磁場除去未結(jié)合的納米顆粒，避免了由此引起的背景干擾。因此，通過該法可在實現(xiàn)潛指印顯現(xiàn)的同時，對指印遺留者在遺留指印之前是否吸食可卡因進行快速判斷。

圖4 上：抗體修飾的磁性納米復(fù)合物對毒品及其代謝物的檢測原理示意圖；下：潛指?。ˋ）明場和（B）熒光成像圖，比例尺：1mm[32]Fig.4 Top: Detection of drugs and metabolites by antibody–magnetic-particle conjugates. Bottom: Detection of benzoylecgonine in a fingerprint. The images, under (A) bright field and (B) fluorescence, from a section of a latent fingerprint revealed after incubation of antibenzoylecgonine-antibody-functionalized magnetic particles and a secondary antibody displaying red fluorescence.Scale bars: 1 mm

2013年，Li等[33]提出了一種新的研究方法和手段，以結(jié)合適體的金納米粒子為熒光成像和特異性識別探針，利用高分辨暗視場顯微技術(shù)（DFM）在對潛指印進行成像的同時實現(xiàn)對指印中可卡因的識別（顯現(xiàn)機理見圖5上）。實驗中，將可卡因特異性識別的適體剪成兩段，通過Au-S鍵分別修飾在直徑為50 nm左右的金納米粒子上，此時在DFM下可觀察到金納米粒子呈現(xiàn)出綠色；當待測物分子（可卡因）出現(xiàn)時，它作為分子聯(lián)結(jié)劑，將兩條單鏈DNA組裝成完整的適體三級結(jié)構(gòu)，同時也引起了金納米粒子的聚集，在DFM下可觀察到其顏色由綠色變?yōu)榧t色，可實現(xiàn)對可卡因的半定量檢測。該法不僅能夠快速、簡便、非破壞性地顯現(xiàn)潛指印，還可清晰識別指印細節(jié)特征中的二、三級結(jié)構(gòu)（圖5下）；同時充分地利用了金納米粒子的局域表面等離子體共振（localized surface plasmon resonance，LSPR）的特性，增強了信號的強度和穩(wěn)定性，提高了成像的空間分辨率，從而增強顯現(xiàn)的效果。

圖5 上：DFM顯現(xiàn)潛指印的成像原理；下：油潛指印暗場成像圖。（A）物鏡放大倍數(shù)為：4倍，（B）指印二、三級特征成像效果圖[33]Fig.5 Top: Principle of nanoplasmonic imaging of LFPs and identification of cocaine in LFPs by DFM. Bottom: A) Dark- field image of a representative sebaceous LFP obtained with an objective lens at 4-fold of magnification. B) Dark- field images of LFPs showing level 2 details including crossover (1), termination (2), bifurcation (3),and island (4), plus level 3 details (pores in 1, 2, 3, and 4)

3.3 在爆炸物檢測中的應(yīng)用

爆炸犯罪對人民的生命安全、財產(chǎn)安全以及社會安定、公共安全等帶來嚴重的危害，是公安機關(guān)打擊的重點。2015年，Li等人基于黑索金和Cu2+與NADH的競爭反應(yīng)對金納米粒子LSPR散射光譜的出峰位置、強度的影響，實現(xiàn)了指印殘留物中黑索金的分析檢測[34]。如圖6中上圖所示，在沒有黑索金的情況下，NADH將還原Cu2+生成Cu0沉降在金納米顆粒的表面，從而導(dǎo)致其LSPR散射光譜的紅移；黑索金的存在會與Cu2+競爭同NADH的反應(yīng)，此時金納米顆粒表面銅殼的生長受阻、等離子響應(yīng)亦減弱，LSPR散射光譜上的紅移現(xiàn)象消失。此外，以50 nm的金納米顆粒為造影劑，結(jié)合DFM技術(shù)在暗場下可觀察到汗孔等指印三級特征，為遺留者的人身認定提供了可靠的依據(jù)（見圖6下）。

圖6 上：指印殘留物中黑索金檢驗原理；下：（A）油潛指印的暗場成像效果圖（物鏡：4倍）,（B）1～4為（A）中局部放大的細節(jié)特征，（C）放大條件下（物鏡：60倍）觀察到的金納米顆粒，（D）隨機選?。–）中3個點的局域表面等離子體共振散射光譜[34]Fig.6 Top：Principle of the nanoplasmonic detection of explosive. Bottom: (A) Dark- field image of representative sebaceous LFPs obtained with an objective lens under 4-fold of magnification. (B) Dark- field images of LFPs showing level 2 details including enclosure 1, termination 2, crossover 3, and island 4, plus level 3 details (pores in 1, 2, 3, and 4). (C) Magnified dark- field image of representative LFPs obtained with a 60-magnifying objective lens showing the presence of Au-NPs. (D) LSPR scattering spectraof three randomly selected green-color dots in C.

研究者們還利用DFM技術(shù)與表面等離子體共振瑞利散射（PRRS）光譜相結(jié)合，對指印遺留物中的黑索金進行了高選擇性的定量分析[34]。如圖7所示，指印物質(zhì)中不同質(zhì)量的黑索金會導(dǎo)致反應(yīng)中金納米顆粒的等離子體帶產(chǎn)生不同程度的紅移，基于此可建立相應(yīng)的關(guān)系曲線，實驗中對黑索金的檢測下限為：1 μg（＞3σ），從TEM圖中還可觀察到金納米顆粒表面明顯的殼層結(jié)構(gòu)，即反應(yīng)過程中由NADH還原Cu2+沉降在金納米顆粒表面的Cu0。在干擾實驗中，即使是同為硝基化合物的TNT、DNT、硝基苯、苦味酸亦不會對檢測造成干擾，具有較高的選擇性。此法為無損檢測，對于保持證據(jù)的完整性有重要意義；且檢測中用碘鎢燈作為光源代替熒光、拉曼光譜等檢測中使用的激光，避免了在檢測中點燃爆炸物的可能。此外，由于汗液、分泌物等亦存在光散射，在納米等離子成像過程中將產(chǎn)生紅色背景干擾，而此研究中的黑索金檢測則是基于與Cu2+的競爭反應(yīng)，隨著指印中黑索金量的增加將產(chǎn)生更多的綠色光點，會大大降低假陰性率，有望用于爆炸物攜帶者的鑒別。目前該方法的缺點是操作程序相對復(fù)雜、耗時較長。

圖7 含有不同質(zhì)量黑索金的指印處理后金納米顆粒的PRRS光譜圖；指印中黑索金質(zhì)量與等離子體紅移波長(Δλ)及((Δλmax- Δλ)/Δλmax)的關(guān)系曲線，其中Δλmax為空白條件的最大紅移波長，Δλmax=35nm；單個Au@Cu核-殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的TEM圖[34]Fig.7 The end-point PRRS spectra of representative Au-NPs in images of LFPs containing different loads of RDX. Two coordinate functions are shown of the relationship between RDX loads and plasmon band shift (Δλ), and that between RDX loads and ((Δλmax-Δλ)/Δλmax). TEM image of a single Au@Cu core-shell nanoparticle

4 總結(jié)與展望

檢驗潛指印殘留物中微量的物質(zhì)成分有助于獲取遺留者的生物信息，分析其生活習慣和指印遺留前的活動情況等。豐富的個人信息有利于偵查人員縮小偵查范圍、鎖定嫌疑目標，直至最終確認作案人的身份。納米材料在形貌結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，光學、電學、磁學、催化活性以及生物相容性等方面的特性，使其在指印殘留物分析及潛指印顯現(xiàn)方面展現(xiàn)了獨特的優(yōu)勢和巨大的應(yīng)用前景。此外，為了滿足犯罪現(xiàn)場快速、高效的分析需求，基于功能化的納米材料，發(fā)展可實現(xiàn)多通道特異性檢測的顯現(xiàn)試劑以及小型化、便攜式的指印物質(zhì)分析裝置、儀器設(shè)備等，是該領(lǐng)域未來發(fā)展的方向。