聚集誘導發(fā)光材料協(xié)同“502”熏顯技術(shù)顯現(xiàn)潛指紋的綜合實驗設計

金曉東， 唐鏡宇， 陳 偉， 張 沖， 徐同祥

（江蘇警官學院刑事科學技術(shù)系，南京 210031）

0 引 言

教育部于2019 年10 月出臺了《關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》文件［1］，提出“強化科研育人功能，推動高校及時把最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學內(nèi)容，激發(fā)學生專業(yè)學習興趣”的要求，因此為提高學生的綜合創(chuàng)新實踐能力，綜合性實驗課程的設置就顯得十分必要。高校教師的科研項目及其相關研究成果為綜合性實驗的設計提供了良好的素材資源，通過將其凝練設計成綜合實驗，可使實驗教學內(nèi)容更具學科前沿性、綜合性和創(chuàng)新性，這也是提高高校實驗教學水平的有效途徑［2-3］。綜合性實驗的開展，一方面可使學生在本科階段接觸到學科前沿知識，將教師的科研項目與學生的實驗有機融合，提升學生的科研創(chuàng)新能力、動手能力［4］，而另一方面也能讓學生在實驗中學習，促進專業(yè)基礎理論知識的交叉融合。

聚集誘導發(fā)光（aggregation-induced emission，AIE）是由我國科學家原創(chuàng)并引領世界科學研究的前沿領域［5］。自唐本忠院士于2001 年發(fā)現(xiàn)1-甲基-1，2，3，4，5-五苯基噻咯的反常發(fā)光行為，并稱之為AIE 現(xiàn)象以來［6］，國內(nèi)外許多課題組都在致力于AIE 的研究。基于AIE 分子在固態(tài)時呈現(xiàn)出優(yōu)良的熒光發(fā)光特性，克服了傳統(tǒng)有機熒光染料的聚集誘導猝滅（aggregation-caused quenching，ACQ）效應，Li 等［7］報道了利用AIE 分子熒光顯現(xiàn)潛指紋。這引起了眾多法庭科學或化學工作者的研究興趣，許多新穎的AIE分子被報道用于潛指紋顯現(xiàn)的研究［8］。將AIE 顯現(xiàn)潛指紋新技術(shù)引入至本科教學實驗中，可以較好地將學科前沿與專業(yè)實踐相結(jié)合，從而激發(fā)學生的學習興趣，促進學生對學科前沿的了解［9］。

本文以來自教師的科研項目“聚集誘導發(fā)光材料顯現(xiàn)潛指紋技術(shù)研究”中已合成制備的AIE分子NIRLP為研究對象，設計了一個綜合性實驗——聚集誘導發(fā)光材料協(xié)同“502”熏顯技術(shù)顯現(xiàn)潛指紋，期望通過本綜合實驗融合之前所學的諸如大學基礎化學、儀器分析、痕跡檢驗等基礎理論課程，彌補基礎教學實驗的不足，從而提升刑事科學技術(shù)專業(yè)學生的綜合素質(zhì)，同時也為后續(xù)的畢業(yè)設計奠定基礎。

1 實驗試劑與儀器

試劑：染料NIR-LP（見圖1）為實驗室自制；“502”膠購于京東商城；其他試劑購于探索平臺，均為分析純，如無特別說明，無需進一步純化，直接使用。

儀器：熒光分光光度計（美國Varian Cary Eclipse）；電子天平（上海恒平科學儀器有限公司FA1104 N），手提紫外燈（上海光豪分析儀器有限公司，ZF-7A），移液槍（Dragon-lab），相機（Canon-EDS 700D），“502”熏顯箱（美國Mystaire CA3000 502），掃描電鏡（美國FEI Quanta 450）。

圖1 染料NIR-LP的化學結(jié)構(gòu)式

2 實驗步驟

2.1 化合物NIR-LP光譜測試條件

（1）母液的配制。配置染料NIR-LP 的2.5 mmol

乙腈溶液（母液），并在低溫、避光條件下進行保存。

（2）工作液的配制。取1 mL 染料NIR-LP 的母液，滴加至不同體積比的CH3CN/H2O混合溶液（溶液的總體積為10 mL）中，配制0.25 mmol的染料NIR-LP的工作液。

（3）熒光發(fā)射光譜的測定。利用熒光分光光度計測定染料NIR-LP 的AIE 性能時，設置λex= 430 nm，分別測試上述染料NIR-LP不同體積比的CH3CN/H2O混合溶液的熒光發(fā)射光譜。

2.2 潛指紋成像實驗

（1）樣本的制作。指示志愿者用肥皂將手洗凈后，用手指輕蹭額頭或臉頰，并分別在玻璃、鋁板、鋼板和硬幣客體上輕輕按捺，得到實驗所需的潛指紋樣本。

（2）樣本的顯現(xiàn)。將上述載有潛指紋的客體置于“502”熏顯箱內(nèi)，加熱20 min 后，取出客體，得到呈現(xiàn)白色指紋的客體。隨后，將不同體積比的CH3CN/H2O的染料NIR-LP溶液滴加至上述客體上，染色2 min。

（3）樣本的成像。在365 nm 手提紫外燈的激發(fā)下，觀察上述顯現(xiàn)指紋后的客體，并用單反相機拍攝、記錄（見圖2）。

圖2 “502”協(xié)同染色法熒光顯現(xiàn)潛指紋示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 化合物NIR-LP聚集誘導發(fā)光性能

如圖3 所示，NIR-LP 在良溶劑CH3CN 中沒有熒光，但隨著CH3CN/水混合體系中不良溶劑水含量的增加，染料NIR-LP 在紫外燈的激發(fā)下逐漸發(fā)射出較強的紅色熒光。這可能是由于［10-11］：①NIR-LP 分子在良溶劑CH3CN中受到紫外燈的激發(fā)后，發(fā)生了激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移（ESIPT）現(xiàn)象，從而產(chǎn)生各種過渡態(tài)或共振結(jié)構(gòu)，這些過程為激發(fā)態(tài)衰減提供了一個弛豫通道；②當往染料NIR-LP的CH3CN溶液中加入少量的水，其分子內(nèi)氫鍵受損，激發(fā)態(tài)質(zhì)子轉(zhuǎn)移（ESIPT）過程受到抑制，溶液體系發(fā)射出弱的黃綠色熒光，而當向染料NIR-LP的CH3CN 溶液中加入大量的水時，染料NIR-LP會聚集形成納米顆粒，其分子內(nèi)的氫鍵得到恢復，從而在紫外燈的激發(fā)下，發(fā)射出較強的紅色熒光。這也說明了染料NIR-LP具有典型的AIE性質(zhì)，即在良溶液中沒有熒光或熒光較弱，而隨著不良溶劑的加入，熒光逐漸增強。

圖3 染料NIR-LP在不同體積比的CH3CN-水溶液中的熒光發(fā)射光譜圖（［NIR-LP］=0.25 mmol，λex = 430 nm）

3.2 化合物NIR-LP協(xié)同“502”熏顯技術(shù)顯現(xiàn)潛指紋性能

在現(xiàn)有的潛指紋顯現(xiàn)技術(shù)中，“502”熏顯技術(shù)是一種良好的固定指紋紋線并使?jié)撝讣y得以顯現(xiàn)的方法，其作用機理是潛指紋中存有的陰離子（如OH-等）作為親核試劑，引發(fā)“502”主體成分，即α-氰基丙烯酸乙酯，發(fā)生陰離子型聚合形成白色多孔高聚物，進而顯現(xiàn)潛指紋［12-13］?！?02”膠熏顯法操作簡單，顯現(xiàn)時間短，且顯現(xiàn)出的潛指紋紋線清晰，自面世以來已廣泛應用于公安一線機關的刑事勘驗工作中。但是，由于被“502”熏顯后的潛指紋顏色呈現(xiàn)白色，因此該方法不利于淺色客體上潛指紋的顯現(xiàn)及后期的指紋鑒定。鑒于AIE分子在顯現(xiàn)潛指紋中有著顯著的優(yōu)勢，本實驗將AIE 染料與“502”熏顯技術(shù)協(xié)同處理潛指紋，以達到提高潛指紋成像質(zhì)量的目的。如圖4 所示，經(jīng)染料NIR-LP染色后所呈現(xiàn)的潛指紋熒光成像圖像，指紋紋路清晰，紋線和小犁溝的區(qū)分度得到顯著提高。此外，由于染料NIR-LP 能夠較好地減少背景熒光干擾，因此指紋細節(jié)部分及部分三級結(jié)構(gòu)（如汗腺孔、紋線邊緣特征等）也可清晰地被觀察到（見圖5）。

圖4 染料NIR-LP協(xié)同“502”熏顯技術(shù)對不同客體上潛指紋的顯現(xiàn)效果圖（所有熒光照片都是在365 nm紫外燈激發(fā)后拍照后所得）

圖5 指紋的三級結(jié)構(gòu)特征：紋線的汗腺孔“○”、邊緣特征和趨勢

為了更加客觀地分析指紋成像圖像的分辨率，利用Image J軟件對指紋成像圖像［見圖6（a1）、（b1）、（c1）］中白色線條處的7 組連續(xù)小犁溝與紋線進行了灰度值（G）測量，以半定量地驗證染料NIR-LP 對潛指紋的可視化增強能力。G0為最低灰度值，用G/G0為參數(shù)評估指紋成像圖像的分辨率［14］。G/G0在白線處變化明顯，表明指紋圖像上有小犁溝和紋線。未經(jīng)任何處理和直接用“502”熏顯的指紋圖像不容易被觀察清楚，其紋線和小犁溝處的灰度值變化無規(guī)律，白線處G/G0的最大值分別為3.46［見圖6（a2）］、2.75［見圖6（b2）］。而將“502”熏顯的指紋經(jīng)染料染色后，在紫外燈的激發(fā)下，得到橙黃色的指紋熒光成像圖像，指紋的紋路清晰，且其紋線和小犁溝處的灰度值變化較有規(guī)律，紋線和小犁溝可被清晰地分辨出來，G/G0的最大值為4.19［見圖6（c2）］。從SEM圖也可看出，相較于未經(jīng)任何處理的潛指紋，經(jīng)染料NIR-LP 協(xié)同“502”熏顯技術(shù)處理的潛指紋，由于“502”形成的多孔聚合物將指紋原位固定于客體上［15］，很容易分辨出紋線和小犁溝（見圖7）。這也進一步說明在該協(xié)同方法的增強作用下，將載有潛指紋的客體預先用“502”熏顯處理，有利于潛指紋的成像，指紋的可視化對比得到有效提高。

圖6 不同方法處理后指紋圖像及其灰度值分析

圖7 不同方法處理后指紋SEM圖像

3.3 AFIS平臺上的匹配測試

為了評估該協(xié)同方法顯現(xiàn)潛指紋的顯現(xiàn)效率，將所顯現(xiàn)的潛指紋成像圖像分別與標準紅色印泥指紋圖像通過AFIS 系統(tǒng)進行匹配分析。如圖8 所示，在玻璃、鋁板、鋼板和硬幣客體上分別有14、25、26 和30 個特征點與紅色印泥指紋的特征點相匹配。需要說明的是，當兩枚指紋有8 ～16 個特征點相吻合時，就可以認定該兩枚指紋為同一人所遺留［16］。上述結(jié)果表明，經(jīng)該協(xié)同方法顯現(xiàn)的潛指紋可以有效地實現(xiàn)對個體的同一認定。

4 實驗設計與教學特色

4.1 實驗教學設計

本實驗適合公安院校刑事科學技術(shù)專業(yè)或法化學專業(yè)高年級的本科生，學生應具備大學基礎化學、儀器分析和痕跡檢驗的專業(yè)基礎知識，及一定的實驗操作能力。本實驗共需8 學時（見表1），可3 人1 組，集中1天完成。實驗結(jié)束后，每組學生應團隊協(xié)作，按照正式發(fā)表科技論文的撰寫要求（教師可以提供數(shù)篇參考文獻），提交科技論文或研究報告1 份。

圖8 不同客體（a1 ～d1）上的潛指紋經(jīng)協(xié)同方法顯現(xiàn)后的成像圖像與指紋庫中的印泥指紋（a2 ～d2）通過AFIS系統(tǒng)進行匹配分析

表1 實驗教學方案

4.2 教學特色

本實驗為綜合性化學實驗，以公安實際應用為指導，將刑事科學技術(shù)與化學前沿技術(shù)相結(jié)合，有助于引導學生建立實驗思維，培養(yǎng)學生的科研素養(yǎng)和理論聯(lián)系實踐的能力。

（1）融合基礎理論課程，彌補傳統(tǒng)教學實驗的不足。傳統(tǒng)的本科教學實驗往往實驗內(nèi)容單一，且以單科課程設置為主，缺乏綜合性，不利于學生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。聚集誘導發(fā)光材料協(xié)同“502”熏顯技術(shù)顯現(xiàn)潛指紋的綜合性實驗融合了大學基礎化學、儀器分析、痕跡檢驗等基礎理論課程，彌補了傳統(tǒng)本科教學實驗綜合性不足的缺陷。本實驗強化了學生的基本操作，如溶液的配制、熒光的測定、潛指紋的顯現(xiàn)及AFIS 平臺的操作等，實驗內(nèi)容涵蓋了刑事科學技術(shù)專業(yè)的核心教學內(nèi)容。

（2）將科研成果凝練成教學素材，實現(xiàn)“科研反哺教學”。由于傳統(tǒng)本科教學實驗內(nèi)容相對陳舊，與前沿科學技術(shù)脫節(jié)，不利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。而高校教師的科研項目往往聚焦科技前沿，且具備綜合性、創(chuàng)新性等特點，這也為綜合性實驗的設計提供了良好的素材資源。基于教師前期的科研成果，設計的以聚集誘導發(fā)光材料協(xié)同“502”熏顯技術(shù)顯現(xiàn)潛指紋的綜合性化學實驗，促使學生了解學科前沿知識和科研的一般流程，培養(yǎng)學生的科研素養(yǎng)，以期提高學生的綜合素質(zhì)。同時，也為將教師的科研成果轉(zhuǎn)化為教學內(nèi)容作一積極嘗試，實現(xiàn)“科研反哺教學”的目的。

（3）“研賽融合”，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。近年來，教育部出臺了相關政策文件引導高校教師組織學生參加學科競賽，實現(xiàn)“以賽促教，以賽促學”，以此激發(fā)大學生的興趣和潛能，培養(yǎng)大學生的團隊協(xié)作意識和創(chuàng)新精神［1］。2019 年，為培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新意識和實踐能力及推動我國高等學校實踐教學改革，教育部高等學?；瘜W類專業(yè)教學指導委員會、高等學校國家級實驗教學示范中心聯(lián)席會和中國化學會聯(lián)合設立了全國大學生化學實驗創(chuàng)新設計競賽［17］。我院刑事科學技術(shù)專業(yè)的3 位學生基于此教學實驗組成的“尋紋溯源”團隊參與了第二屆該項賽事（華東賽區(qū)）的競賽，并獲得了二等獎的成績。這也說明，基于“研賽融合”的教學模式，我院在提高學生的創(chuàng)新能力和專業(yè)綜合能力上取得了一定的成效。

5 結(jié) 語

以教師的前期科研成果為基礎，將其優(yōu)化并移植至本科教學實驗中，以期達到“科研反哺教學”的目的。本實驗圍繞聚集誘導發(fā)光性能的研究、潛指紋顯現(xiàn)研究及在自動指紋識別系統(tǒng)上的匹配測試三方面內(nèi)容，設計成綜合教學實驗，將化學學科前沿領域與公安實踐相結(jié)合，從而實現(xiàn)科學研究與實驗教學相統(tǒng)一。本實驗的開展，可讓學生接觸到學科前沿知識，同時也可有效地將學生所學過的基礎理論課程進行融合，提升他們的綜合素質(zhì)，為服務高質(zhì)量人才培養(yǎng)、服務公安實戰(zhàn)奠定基礎。