基于電化學(xué)檢測(cè)的“負(fù)像”潛手印顯影技術(shù)研究進(jìn)展

彭 迪，張雨嫣

（1. 西南政法大學(xué)刑事偵查學(xué)院，重慶 401120；2. 重慶高校刑事科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401120）

手印因其紋線形態(tài)特征的獨(dú)特性和穩(wěn)定性、殘留物（包括內(nèi)源性、外源性物質(zhì)）的可識(shí)別性，一直備受全世界法庭科學(xué)工作者的關(guān)注。然而，當(dāng)前潛手印顯現(xiàn)技術(shù)大多建立在顯影劑（粉末、化學(xué)試劑、熏顯蒸汽等）[1-4]與指印殘留物（如濕氣、無(wú)機(jī)離子、氨基酸、油脂等）相互作用的基礎(chǔ)上，以物理吸附、靜電作用、化學(xué)反應(yīng)等方式將二者結(jié)合或鍵合在一起，從而產(chǎn)生視覺(jué)反差以顯影潛在的乳突紋線痕跡。這一固有顯現(xiàn)思路存在兩點(diǎn)弊端：其一，多數(shù)顯影劑與指印殘留物直接作用的顯現(xiàn)方法，會(huì)導(dǎo)致手印的污染和破壞，這可能給接觸DNA、各種外源性物質(zhì)的提取和檢測(cè)工作帶來(lái)困難；其二，限于顯現(xiàn)原理和操作方法，大部分傳統(tǒng)顯現(xiàn)技術(shù)不適于處理污染、潮濕及粗糙客體上的手印。

理論上，乳突紋線部位與小犁溝部位對(duì)特定電化學(xué)體系的響應(yīng)存在差別，因此利用電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)可以把電化學(xué)反應(yīng)控制在背景（基底）區(qū)域，從而產(chǎn)生紋線與背景的“負(fù)像”顯影效果（圖1）。本文通過(guò)對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外報(bào)道的應(yīng)用于手印顯影電化學(xué)方法的梳理，綜述了電化學(xué)沉積、電致化學(xué)發(fā)光及表面等離子光譜技術(shù)在“負(fù)像”手印顯現(xiàn)方面的應(yīng)用，總結(jié)了基于電化學(xué)檢測(cè)的“負(fù)像”潛指紋顯現(xiàn)技術(shù)（補(bǔ)充材料表S1），并對(duì)亟待解決的問(wèn)題和該領(lǐng)域發(fā)展前景進(jìn)行了剖析與展望。

1 基于電化學(xué)沉積技術(shù)的“負(fù)像”潛手印顯影方法

電化學(xué)沉積（electrochemical deposition）又稱(chēng)電沉積（electrodeposition），是利用外電場(chǎng)產(chǎn)生的電流使電解質(zhì)溶液中的正負(fù)離子產(chǎn)生遷移，從而在電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成鍍層的過(guò)程。電沉積是一種歷史悠久且工藝成熟的材料表面處理技術(shù)，目前多數(shù)基于電沉積的潛手印顯現(xiàn)技術(shù)都是按照指紋顯影的特殊要求，在成熟的電化學(xué)體系基礎(chǔ)上稍作改進(jìn)而建立的。其顯現(xiàn)原理為：乳突紋線部位由于油脂等有機(jī)物的存在，多表現(xiàn)為電化學(xué)惰性，因此，手印紋線可以抑制電沉積反應(yīng)，而電解質(zhì)在陰極被還原得到不同性質(zhì)的材料薄膜，從而與紋線產(chǎn)生視覺(jué)反差而形成“負(fù)像”的指紋圖案。依據(jù)電化學(xué)反應(yīng)所形成的薄膜物質(zhì)種類(lèi)，可把基于電沉積技術(shù)的潛手印顯影技術(shù)分為三類(lèi)：金屬薄膜、電致變色薄膜和其他類(lèi)。

1.1 電沉積金屬薄膜的潛手印顯現(xiàn)技術(shù)

基于金屬沉積的潛手印顯影方法以多金屬沉積法（multi metal deposition，MMD）、單金屬沉積法（single metal deposition，SMD）為代表，在法庭科學(xué)領(lǐng)域早有報(bào)道[5-6]。然而，這兩種方法成本高，操作復(fù)雜，且沉積時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，其應(yīng)用價(jià)值不高，后續(xù)研究并不多見(jiàn)?；陔姵练e金屬薄膜的潛手印顯現(xiàn)技術(shù)在成本、操作簡(jiǎn)便性和反應(yīng)時(shí)間等方面均有優(yōu)勢(shì)，有望替代MMD和SMD在指紋領(lǐng)域的應(yīng)用[7-10]。

2013年，Qin等[7]首先驗(yàn)證了水電解質(zhì)中電沉積金或銀納米顆粒在氧化銦錫（ITO）、金、鉑和不銹鋼四種客體上的手印顯影效果，并獲得了高對(duì)比、高靈敏的指紋圖像。這種方法在水中進(jìn)行，可以用于處理潮濕客體上的手印。然而，由于采用了HAuCl4或AgNO3作為電解液，該方法的成本依然較高。此外，由于體系中加入了強(qiáng)電解質(zhì)硫酸，可能會(huì)腐蝕一些較有活性的金屬材料。隨后Zhang等[8]將更廉價(jià)的銅離子作為電解質(zhì)，系統(tǒng)研究了銅的濃度、沉積電位和沉積時(shí)間對(duì)顯影效果的影響。在優(yōu)化條件下（電壓-0.18 V，沉積時(shí)間4 min，電解質(zhì)濃度10 mmol/L CuSO4），能顯出粗糙、較臟客體上手印的二級(jí)特征。遺憾的是，該兩種方法所使用的電解液當(dāng)中均含有硫酸，這導(dǎo)致了留痕客體選擇的局限性。

基于降低成本和改善方法適用性的考慮，Zhang等 先后開(kāi)發(fā)了兩種基于共沉積溶劑體系（AgOCuO體系和ZnO-CuO體系）的電化學(xué)顯現(xiàn)技術(shù)，并用ITO和各種金屬基底（鋁板、銅板、鎂板、鋅板、不銹鋼板和三種硬幣）考察了該體系對(duì)不同留痕人、不同遺留時(shí)間指紋的顯影效果。結(jié)果表明，共沉積形成的AgO-CuO或ZnO-CuO薄膜形成的負(fù)像手印對(duì)比度均高于單一金屬的沉積效果，且能夠顯現(xiàn)留痕1周的潛手印。

1.2 電沉積電致變色薄膜的潛手印顯現(xiàn)技術(shù)

電致變色（electrochromism）是指某些材料由于具有特定的光學(xué)屬性（反射、透過(guò)、吸收等），因而能在外加電場(chǎng)的作用下發(fā)生穩(wěn)定、可逆的顏色變化的現(xiàn)象。電致變色材料作為當(dāng)前最具前景的智能材料之一，已被廣泛應(yīng)用于軍事偽裝、攝像器材、變色玻璃、安全防偽及分析傳感等領(lǐng)域。

目前報(bào)道用于潛手印顯現(xiàn)的有機(jī)電致變色材料主要有聚吡咯、聚苯胺、聚乙撐二氧噻吩等[11-16]。Bersellini等[11]首次將聚吡咯電化學(xué)沉積到金屬表面，通過(guò)電致變色效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了潛手印的負(fù)像顯影。而后，英格蘭Leicester大學(xué)Hillmand課題組[12-14]較系統(tǒng)地研究了多種聚合物電沉積變色體系在潛手印顯影中的應(yīng)用，結(jié)果顯示，吡咯-乙撐二氧噻吩的共聚體系相對(duì)于單一聚合物展示出更好的顯色效果，并且對(duì)高溫、浸水及老化等各種惡劣環(huán)境下金屬表面的手印具有良好的適用性。

在無(wú)機(jī)電致變色材料方面，普魯士藍(lán)最早被開(kāi)發(fā)指紋顯影的價(jià)值[17-19]。2013年，Qin等[17]以鉑箔為對(duì)電極，Ag/AgCl為參比電極，通過(guò)循環(huán)伏安法將普魯士藍(lán)膜鍍于ITO和不銹鋼上，成功得到高分辨的藍(lán)底負(fù)像指紋。近來(lái)，Yuan等[20]提出了恒電流電沉積具有電致變色特性的Co3O4薄膜的顯影方法，他們借助光學(xué)顯微鏡、原子力顯微鏡等儀器以及RGB分色定量評(píng)價(jià)手段證明了該方法檢測(cè)指紋的高靈敏和高對(duì)比度。法醫(yī)DNA檢測(cè)表明，在電化學(xué)顯影處理后，指紋物質(zhì)仍可進(jìn)行DNA分型，基因座檢出率高達(dá)80.9%，表明該體系具有較好的生物兼容性。

1.3 電沉積其他材料的潛手印顯現(xiàn)技術(shù)

Zhang等[21]利用石墨烯在電化學(xué)沉積反應(yīng)中的過(guò)程可控性和高選擇性，在Na2HPO4緩沖液中實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)惰性的ITO、鋁板、不銹鋼板以及較活潑的鎂板、鍍鋅板上手印的高靈敏顯現(xiàn)。該方法沒(méi)有使用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿作電解液，也無(wú)需貴金屬作沉積物，是一種低成本、簡(jiǎn)單快速、綠色環(huán)保的電沉積指紋顯影技術(shù)，為更多清潔材料的應(yīng)用提供了寶貴的參考。

2019年，Zhang等 利用H3BO3和Ni的協(xié)同效應(yīng)，有效地抑制了電解液中磷光粉的水解，同時(shí)通過(guò)添加陽(yáng)離子表面活性劑改善電鍍膜量（鍍層厚度），最終實(shí)現(xiàn)了銅箔上潛手印的“負(fù)像”指紋成像。這種共沉積的Ni/磷光粉復(fù)合物薄膜保留了商用鋁酸鹽磷光粉的長(zhǎng)余輝發(fā)光特性，為多彩背景客體上潛手印的顯現(xiàn)提供了新的解決方案。

2 基于電致化學(xué)發(fā)光技術(shù)的“負(fù)像”潛手印顯影方法

電致化學(xué)發(fā)光（electrogenerated chemiluminescence， ECL）是指發(fā)光物質(zhì)在電極表面經(jīng)電化學(xué)和化學(xué)反應(yīng)后，形成高能的激發(fā)態(tài)，再經(jīng)過(guò)弛豫后產(chǎn)生光的過(guò)程。ECL本質(zhì)仍是化學(xué)發(fā)光，具備傳統(tǒng)化學(xué)發(fā)光靈敏度高、線性范圍寬的優(yōu)勢(shì)，又兼有電化學(xué)方法設(shè)備簡(jiǎn)單、易于調(diào)控等特點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)藥、環(huán)境、臨床等領(lǐng)域。與電沉積技術(shù)顯影潛手印類(lèi)似，乳突紋線中的脂肪酸、皮脂、三十碳六烯等有機(jī)物為電化學(xué)惰性物質(zhì)，它們通過(guò)抑制電化學(xué)反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移而阻止某些電化學(xué)發(fā)光產(chǎn)物的生成，最終得到“負(fù)像”手印圖像。近年來(lái)，已有三聯(lián)吡啶釕、魯米諾等發(fā)光劑成功應(yīng)用于ECL的“負(fù)像”潛手印檢測(cè)[23-27]。

2.1 基于Ru(bpy)32+的潛手印顯現(xiàn)技術(shù)

2012年，Xu等[23]首次驗(yàn)證了Ru(bpy)32+/TPrA電致化學(xué)發(fā)光體系在ITO上的指紋顯影功能。他們發(fā)現(xiàn)，在施加+1.13 V恒壓電流，發(fā)光劑Ru(bpy)32+和共反應(yīng)劑TPrA濃度分別為0.5、50.0 mmol/L的優(yōu)化條件下，“負(fù)像”手印能持續(xù)發(fā)光約40 s。這一方法對(duì)遺留時(shí)間長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月的富脂手印均有較好的顯影表現(xiàn)，是一種簡(jiǎn)單、快速、無(wú)損、安全且高靈敏度的顯影方法。隨后，他們又把該方法擴(kuò)展到不銹鋼、電腦顯示屏、光盤(pán)、櫥柜、硬幣等客體上，均取得了類(lèi)似的顯現(xiàn)效果。

為了提高ECL潛手印顯影裝置的便攜性，Li等[25]嘗試以智能手機(jī)USB接口提供能源，利用三硝基甲苯（TNT）等爆炸物可淬滅電化學(xué)發(fā)光信號(hào)的特性，利用經(jīng)典的Ru(bpy)32+/TPrA體系實(shí)現(xiàn)了指紋殘留物中TNT成分的顯影，成功得到了手印的“負(fù)像”痕跡。此外，該方法還可結(jié)合智能手機(jī)自帶RGB、灰度及二進(jìn)制等多模分析手段，有望在指紋解鎖的同時(shí)實(shí)現(xiàn)初步的疾病診斷、公共安全測(cè)試等擴(kuò)展性識(shí)別功能，這一有趣嘗試將為指紋的多維度應(yīng)用開(kāi)辟新的發(fā)展方向。

2.2 基于魯米諾的潛手印顯現(xiàn)技術(shù)

2012年，Xu等[23]同時(shí)證明了Ru(bpy)32+/TPrA、魯米諾/雙氧水兩種ECL體系在顯現(xiàn)潛手印方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。2014年，他們又以魯米諾/H2O2（或K2S2O8）為電致化學(xué)發(fā)光體系，進(jìn)一步發(fā)展了ECL顯現(xiàn)金屬基底潛手印的技術(shù)[26]。研究通過(guò)施加0.8 V恒電位，使電極表面的魯米諾發(fā)生電化學(xué)氧化，在H2O2或K2S2O8的存在下進(jìn)一步氧化產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的3-氨基鄰苯二甲酸鹽，隨后激發(fā)態(tài)3-氨基鄰苯二甲酸鹽回到基態(tài)可產(chǎn)生最大波長(zhǎng)為425 nm的熒光。作者指出這一方法對(duì)指紋破壞性小，并且不會(huì)影響后續(xù)的DNA分析。

2020年，Hu等[27]利用電聚合技術(shù)在ITO基底的小犁溝區(qū)域沉積魯米諾薄膜，以此固定魯米諾發(fā)光分子，得到了清晰的“負(fù)像”指紋圖形。而且，這一方法沒(méi)有采用有毒害的試劑，電解液體系為水，是一種對(duì)操作者友好的指紋顯現(xiàn)技術(shù)。

2.3 其他ECL的潛手印顯現(xiàn)技術(shù)

除了經(jīng)典的三聯(lián)吡啶釕、魯米諾等電化學(xué)發(fā)光劑，目前紅熒烯（RUB）、多孔硅（pSi）也有報(bào)道用于“負(fù)像”潛手印的顯現(xiàn)。

Li等[28]率先建立了RUB為發(fā)光劑、TPrA為共反應(yīng)劑的電化學(xué)體系，以負(fù)像模式在工作電極ITO及不銹鋼表面獲得了油脂手印的高靈敏顯現(xiàn)，其ECL原理符合典型的共反應(yīng)劑機(jī)制，具體如下：

這種基底表面不同區(qū)域電化學(xué)活性的差別，可以實(shí)現(xiàn)基于空間選擇性的高靈敏識(shí)別，拓寬了ECL潛手印成像技術(shù)的應(yīng)用范圍。

2014年，Tan等[29]發(fā)現(xiàn)TNT的強(qiáng)吸電子能力是淬滅pSi發(fā)光的關(guān)鍵因素。在此基礎(chǔ)上，他們比較了附著有TNT和沒(méi)有TNT的兩種潛手印在pSi電極上的顯影效果。結(jié)果表明，有TNT的指紋呈現(xiàn)“負(fù)像”，未附著TNT的指紋呈現(xiàn)“正像”。由于不需要共反應(yīng)劑的參與，這是一種成本較低、操作簡(jiǎn)單的指紋顯影方法，有望推廣到化學(xué)傳感、生物組織的分子識(shí)別等領(lǐng)域。

3 基于表面等離子體共振的電化學(xué)“負(fù)像”潛手印顯影方法

眾所周知，表面等離子體共振（surface plasmon resonance，SPR）是一種光物理現(xiàn)象，即當(dāng)入射光達(dá)到某一個(gè)角度時(shí)，光子的能量會(huì)被金屬吸收轉(zhuǎn)化成表面等離子體波，同時(shí)金屬介質(zhì)中傳輸振幅呈指數(shù)衰減的倏逝波，當(dāng)二者發(fā)生共振時(shí)，在這個(gè)角度(共振角)的光線不會(huì)被反射出來(lái)。當(dāng)金屬表面附著物的屬性或附著量改變時(shí)，共振角將不同。因此，可以通過(guò)SPR譜(共振角隨時(shí)間變化)來(lái)反映與金屬膜表面接觸的物質(zhì)變化[30-32]。

除電化學(xué)沉積和電致化學(xué)發(fā)光技術(shù)外，Shan等[33]巧妙地將電化學(xué)反應(yīng)和金屬基底SPR檢測(cè)技術(shù)結(jié)合，他們以Ru(NH3)63+為電解質(zhì)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)納米金修飾的玻璃電極上電化學(xué)反應(yīng)的SPR信號(hào)的微小變化，實(shí)現(xiàn)了“負(fù)像”指紋和痕量TNT（0.5 ng）的同時(shí)成像。其顯現(xiàn)原理仍然是指紋物質(zhì)中的汗?jié)n、油脂或TNT等外源性成分會(huì)抑制電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，這會(huì)引起紋線與背景的SPR信號(hào)相應(yīng)不同，從而獲得顯影效果。為了證明這種耦合技術(shù)的高選擇性，實(shí)驗(yàn)中還用蠟燭顆粒作為干擾物質(zhì)與TNT一起摻雜入指紋中，結(jié)果顯示在電化學(xué)電流的SPR成像模式中，TNT的檢測(cè)信號(hào)遠(yuǎn)高于蠟燭顆粒。不同于傳統(tǒng)電化學(xué)方法僅能檢測(cè)總電流的變化，這種基于局部電流密度SPR信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法展現(xiàn)出超高的靈敏度和選擇性，有望成為痕量分析領(lǐng)域的全新選擇。

4 總結(jié)與展望

傳統(tǒng)潛手印顯現(xiàn)方法，包括普通粉末、磁性粉、熒光粉、各類(lèi)熏顯法、化學(xué)試劑法、小顆粒懸浮液法等均是基于顯現(xiàn)試劑與手印物質(zhì)之間的相互作用而建立的，該類(lèi)方法以色澤加深、變色或發(fā)光等方式提高乳突紋線的信號(hào)，從而獲得視覺(jué)反差達(dá)到顯影效果，可歸類(lèi)為“正像”的指紋顯影模式。本文總結(jié)了近年來(lái)基于基底作用的電化學(xué)潛手印顯影方法，相對(duì)于“正像”指紋顯影方法，這種“負(fù)像”顯影模式從理論上可完全保持指紋中DNA等遺傳信息、化學(xué)信息的完整性。此外，電化學(xué)檢測(cè)特有的高靈敏度、高可控性、低成本和易于聯(lián)用等優(yōu)勢(shì)，賦予“負(fù)像”指紋顯影技術(shù)強(qiáng)大的成分檢測(cè)能力，有利于指紋的分泌物、代謝物及外源性物質(zhì)的檢驗(yàn)鑒定。未來(lái)，基于電化學(xué)檢測(cè)的“負(fù)像”手印顯現(xiàn)技術(shù)要進(jìn)一步推廣應(yīng)用，尚需解決以下幾個(gè)問(wèn)題：

1）目前電化學(xué)方法通常只能處理金屬等導(dǎo)電客體表面的手印，未來(lái)能否將適用范圍擴(kuò)大到非導(dǎo)體基底，是決定電化學(xué)方法能否進(jìn)一步推廣的關(guān)鍵。

2）基于電致化學(xué)發(fā)光技術(shù)的顯影方法，需解決部分發(fā)光體系發(fā)光隨時(shí)間衰減過(guò)快的問(wèn)題；同時(shí)一些較高成本電極材料和有毒有害的電解質(zhì)，也減低了本方法的實(shí)用價(jià)值。

3）雖然現(xiàn)有部分研究表明，電化學(xué)檢測(cè)能與接觸DNA檢測(cè)兼容，但仍有必要進(jìn)一步開(kāi)展本技術(shù)的生物兼容性、化學(xué)兼容性的理論和實(shí)驗(yàn)研究，全面評(píng)估相關(guān)電化學(xué)體系的毒害性。

4）現(xiàn)有的電化學(xué)檢測(cè)指紋技術(shù)，多數(shù)仍局限于形態(tài)特征檢驗(yàn)，后期應(yīng)大力發(fā)揮電化學(xué)檢測(cè)易于聯(lián)用的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合各類(lèi)化學(xué)分析、儀器分析技術(shù)，建立更有效的指紋信息多維診斷方法，為案件偵破提供更多線索。

綜上所述，基于電化學(xué)檢測(cè)的“負(fù)像”手印顯現(xiàn)技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅猛，隨著研究的不斷深入和技術(shù)的逐漸完善，相信這一新興技術(shù)在刑事偵查和物證鑒定領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

補(bǔ)充材料

與本文相關(guān)的補(bǔ)充數(shù)據(jù)見(jiàn)：http://www.xsjs-cifs.com/CN/abstract/abstract6935.shtml。