熱致熒光成像技術(shù)顯現(xiàn)汗?jié)撌钟》磻?yīng)機(jī)理初探

李孝君，李 波，翟廣亮，張蕾萍，孫振文，陳蕊麗

（1. 公安部物證鑒定中心，北京 100038；2. 中國(guó)人民公安大學(xué)，北京 100038；3. 山東濟(jì)南鐵路公安處刑事技術(shù)支隊(duì)，濟(jì)南 250001）

熱致熒光成像技術(shù)顯現(xiàn)汗?jié)撌钟》磻?yīng)機(jī)理初探

李孝君1，李 波2，翟廣亮3，張蕾萍1，孫振文1，陳蕊麗2

（1. 公安部物證鑒定中心，北京 100038；2. 中國(guó)人民公安大學(xué)，北京 100038；3. 山東濟(jì)南鐵路公安處刑事技術(shù)支隊(duì)，濟(jì)南 250001）

目的初步研究紙張上汗?jié)撌钟嶂聼晒獬上窦夹g(shù)的反應(yīng)機(jī)理，探索汗液中主要成分對(duì)熱致熒光效果的影響，為后續(xù)的研究指明方向。方法以紙張、錫箔紙、載玻片以及金屬面為載體，逐步考查承痕客體以及汗液中的重要成分是否為形成熒光現(xiàn)象的主要原因。結(jié)果紙張不影響熱致熒光反應(yīng)；在汗液的各種重要成分中，只有氨基酸通過(guò)加熱可產(chǎn)生較強(qiáng)且穩(wěn)定的熒光效果，其他成分既不影響汗液熱致熒光效果，也不能獨(dú)自反應(yīng)生成熒光物質(zhì)。結(jié)論熒光物質(zhì)主要由汗液中甘氨酸、丙氨酸和絲氨酸等多種氨基酸反應(yīng)生成，下一步研究工作以氨基酸為研究對(duì)象進(jìn)行反應(yīng)機(jī)理的推理及驗(yàn)證。

熱致熒光；反應(yīng)機(jī)理；汗液手??；氨基酸

熱致熒光成像技術(shù)作為紙張客體上汗?jié)撌钟〉囊环N無(wú)損無(wú)毒檢驗(yàn)方法，快速簡(jiǎn)便、無(wú)需化學(xué)試劑，且可與多種傳統(tǒng)顯現(xiàn)方法相互補(bǔ)充。將印有汗液手印的紙張?jiān)?00 ℃的溫度下短暫加熱之后，置于藍(lán)綠光（波長(zhǎng)為415～510 nm）的激發(fā)環(huán)境下，通過(guò)橙色濾光鏡觀察，即可觀察到顯出強(qiáng)烈黃色熒光的手印。該項(xiàng)技術(shù)可以很好地顯現(xiàn)紙張上的汗?jié)撌钟。滹@現(xiàn)效果不亞于DFO、茚二酮等化學(xué)試劑的熒光效果，尤其適合顯現(xiàn)復(fù)雜和深色背景紙張上的汗?jié)撌钟。以摲椒ǖ娘@現(xiàn)基本上不影響其他后續(xù)化學(xué)方法的顯現(xiàn)過(guò)程，即熱致熒光成像技術(shù)可以成為顯現(xiàn)紙張汗?jié)撌钟〉那疤幚矸椒╗1-3]。更重要的是，熱致熒光成像技術(shù)不污染損壞紙張檢材，整個(gè)顯現(xiàn)過(guò)程對(duì)操作人員無(wú)害，還能夠很好地顯現(xiàn)衛(wèi)生紙和部分品牌熱敏紙這類比較特殊的紙張客體上的汗?jié)撌钟　{借上述優(yōu)勢(shì)，熱致熒光成像技術(shù)將會(huì)成為顯現(xiàn)紙張汗?jié)撌钟〉囊环N重要處理方法。然而，國(guó)內(nèi)外關(guān)于汗?jié)撌钟嶂聼晒獬上窦夹g(shù)反應(yīng)機(jī)理的研究鮮有報(bào)道，該項(xiàng)技術(shù)缺乏有力的理論支撐[4-5]，這不利于其推廣與使用。因此，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)熱致熒光成像技術(shù)的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行初步探索。

1 材料與方法

1.1 材料及儀器

主要儀器及耗材：熱致熒光加熱設(shè)備（公安部物證鑒定中心自主研發(fā)設(shè)備，型號(hào)：TF-Ⅲ）、多波段觀察拍照設(shè)備、佳能單反相機(jī)、橙色濾光鏡、移液管、電子天平、黑色卡紙、白色復(fù)印紙、錫箔紙、載玻片、不銹鋼金屬面。

試劑：pH＝4.7的人工汗液試劑（廣東省東莞市科鴻化工有限公司）、氯化鈉、蒸餾水、11種氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品：甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、纈氨酸、脯氨酸、色氨酸、酪氨酸（中國(guó)藥品生物制品檢定所）。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟及方法

樣本處理流程。打開熱致熒光加熱設(shè)備，設(shè)置溫度為200 ℃，選擇合適的載物臺(tái)移動(dòng)速率，啟動(dòng)加熱紙張樣本，完成后放到多波段觀察拍照設(shè)備下觀察并拍照固定。由于高溫反應(yīng)不可逆，因此加熱溫度可以適當(dāng)?shù)陀?00 ℃，如果熒光效果不佳可以再次反復(fù)處理。以下對(duì)樣本的處理均按照本流程進(jìn)行。

考查承痕客體。選用白色復(fù)印紙、錫箔紙、載玻片和金屬面作為汗液手印的承痕客體，志愿者在捺印之前先戴PVC手套5 min以保證汗量充足，然后分別在4種承痕客體上捺印5枚汗液手印，為盡量減少汗液手印之間的差異性，捺印手印時(shí)統(tǒng)一停頓3 s并保證用力基本一致。晾干后加熱處理觀察拍照固定。

考查氯化鈉。按照汗液各成分含量配制未加入氯化鈉的人工汗液500 mL，從中取出100 mL加入0.25 g氯化鈉，用玻璃棒攪拌至全部溶解，然后用移液管分別取10 μL未加氯化鈉和加氯化鈉的人工汗液點(diǎn)滴在白色復(fù)印紙的左右，中間用標(biāo)記筆做好標(biāo)記方便比較觀察分析，同樣的方法制作3組實(shí)驗(yàn)樣本。晾干后加熱處理并觀察拍照固定。

考查氨基酸。分別將11種氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品溶于蒸餾水中配制11種濃度為2 mg/mL氨基酸溶液，分別裝入11個(gè)離心管中，并分別做好標(biāo)記；同樣，再配制0.2 mg/mL和0.02 mg/mL兩組氨基酸溶液。把11種氨基酸的名稱用記號(hào)筆按照一定的順序標(biāo)記于白色復(fù)印紙上，標(biāo)記完之后使用10 μL移液管分別提取11種氨基酸溶液點(diǎn)滴到相應(yīng)氨基酸名稱下面，點(diǎn)滴完后讓其自然晾干。三種不同濃度的氨基酸溶液點(diǎn)滴在三張白色復(fù)印紙上做成三種不同濃度的氨基酸點(diǎn)滴樣本。另外，將11種0.2 mg/mL濃度的氨基酸分別點(diǎn)滴在相應(yīng)載玻片上做成實(shí)驗(yàn)樣本。晾干后加熱處理并觀察拍照固定。

考查熒光靈敏度。使用移液管分別在白色復(fù)印紙上點(diǎn)滴涂抹20、18、16、14、12、10、8、6、4、2、1、0.5 μL不同量的人工汗液試劑，并用標(biāo)記筆分別作上標(biāo)記。晾干后加熱處理并觀察拍照固定。

考查氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品。將11種氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品分別加100 mg到蒸發(fā)皿里，加熱處理并觀察拍照固定。

2 結(jié)果

2.1 紙張成分的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示錫箔紙、載玻片和金屬面上的5枚汗液手印通過(guò)加熱處理之后都能觀察到熒光效果，且熒光效果也不亞于白色復(fù)印紙（圖1）。這說(shuō)明紙張中的成分不影響汗液手印加熱產(chǎn)生熒光物質(zhì)，熒光物質(zhì)主要是由汗液里的成分反應(yīng)生成的。

圖1 幾種不同承痕客體上汗液手印的熱致熒光效果Fig.1 thermally-induced fuorescence from sweat fngerprints on several different objects

2.2 氯化鈉的影響

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，氯化鈉作為汗液中的主要成分之一也可能參與熒光反應(yīng)[6]，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)比分析驗(yàn)證，結(jié)果如圖2所示，三組樣本中的加氯化鈉與未加氯化鈉的人工汗液都出現(xiàn)熒光效果，且熒光效果幾乎都是一樣的，因此，無(wú)論是從化學(xué)結(jié)構(gòu)上還是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象上進(jìn)行分析，氯化鈉對(duì)汗液熒光效果都是沒(méi)有促進(jìn)作用的，也不參與反應(yīng)。

圖2 氯化鈉對(duì)汗液熱致熒光效果影響對(duì)比圖（左邊未加氯化鈉，右邊加氯化鈉）Fig.2 No infuence observed on the thermally-induced fuorescence from the sweat with (right) or without (left) addition of sodium chloride

2.3 氨基酸的影響

汗液中的氨基酸含量豐富且種類多樣[7]，實(shí)驗(yàn)中以甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、纈氨酸、脯氨酸、色氨酸、酪氨酸11種氨基酸為代表進(jìn)行驗(yàn)證。如圖3所示，通過(guò)加熱處理后，11種氨基酸溶液都能觀察到熒光效果。其中，亮氨酸、異亮氨酸、酪氨酸熒光效果較差，但也能夠觀察到微弱熒光。從不同濃度的氨基酸熒光效果來(lái)看，2 mg/ mL的氨基酸熒光效果明顯好于0.2 mg/mL，0.2 mg/ ml同樣也好于0.02 mg/mL，說(shuō)明單種氨基酸加熱也能生成熒光物質(zhì)，且熒光效果隨氨基酸濃度的降低而逐漸減弱，即成正比關(guān)系。如圖4所示，載玻片上的氨基酸加熱后同樣都能觀察到熒光效果，這一現(xiàn)象反映了氨基酸加熱反應(yīng)生成熒光物質(zhì)可以不需要紙張成分參與，同時(shí)也排除了紙張成分對(duì)氨基酸反應(yīng)生成熒光物質(zhì)的影響。

2.4 汗液熒光靈敏度研究

如圖5所示，白色復(fù)印紙上汗液熱致熒光強(qiáng)度整體上與汗液量成正比，熒光強(qiáng)度隨汗液量的減少逐漸減弱。當(dāng)人工汗液試劑的量低至4 μ L時(shí)熒光效果明顯減弱，1 μL時(shí)熒光微弱，0.5 μL時(shí)幾乎觀察不到熒光。因此，熱致熒光成像技術(shù)對(duì)汗液的熒光顯出靈敏度為1 μL左右。

圖3 不同濃度氨基酸在白色復(fù)印紙上的熱致熒光效果（上：2mg/ml，中:0.2mg/ml，下:0.02mg/ml)Fig.3 thermallyt-induced fuorescent effect of concentration-different amino acids on white paper (Upper: 2mg/ml, medium: 0.2mg/ml, down: 0.02mg/ml)

圖4 幾種氨基酸在載玻片上的熱致熒光效果(從左到右分別是：甘、苯丙、絲、色、脯氨酸)Fig.4 thermally-induced fuorescence of amino acids on a slide (from left to right: glycine, phenylalanine, serine, tryptophan, proline)

圖5 不同量人工汗液在白色復(fù)印紙上的熱致熒光效果Fig.5 thermally-induced fuorescent effect of amount-different artifcial sweat on white paper

2.5 氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品加熱熒光實(shí)驗(yàn)

如圖6所示，氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品直接加熱之后都能夠觀察到熒光，且熒光效果十分明顯，說(shuō)明直接對(duì)氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品加熱也可以反應(yīng)生成熒光物質(zhì)。加熱處理后的熒光物質(zhì)溶于蒸餾水之后再自然晾干還能觀察到熒光，說(shuō)明熒光物質(zhì)易溶于蒸餾水且結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生改變。在實(shí)驗(yàn)中需要注意的是控制好加熱溫度和時(shí)間，如果控制不好將會(huì)導(dǎo)致氨基酸要么加熱不夠沒(méi)有反應(yīng)生成熒光，要么加熱過(guò)度導(dǎo)致氨基酸碳化變黑且熒光消失。

圖6 幾種氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品加熱之后熒光效果（從左到右依次是：甘、脯、酪、天冬氨酸）Fig.6 thermally-induced fuorescent effect of several kinds of standard amino acids when heated (from left to right: glycine, proline, tyrosine, aspartate)

3 討論

3.1 機(jī)理推理及初步驗(yàn)證

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可以排除汗液中的大多數(shù)成分參與反應(yīng)生成熒光物質(zhì)，并且最終確定是由汗液中的氨基酸反應(yīng)生成熒光物質(zhì)。汗液中含有的11種氨基酸通過(guò)適當(dāng)?shù)募訜崽幚矶寄軌虍a(chǎn)生熒光，氨基酸無(wú)論是溶于蒸餾水中晾干再加熱處理，還是直接加熱氨基酸結(jié)晶體，都可以反應(yīng)生成熒光物質(zhì)。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，熒光物質(zhì)是一類具有剛性結(jié)構(gòu)和π電子共軛體系的環(huán)狀化合物，分子的閉環(huán)有利于熒光的產(chǎn)生，增加分子的共平面性和剛性可以使熒光增強(qiáng)[8]。氨基酸都具有氨基和羧基，易發(fā)生脫水縮合，因此，根據(jù)氨基酸自身具有的結(jié)構(gòu)特征及熒光物質(zhì)的特性，可以推導(dǎo)出多數(shù)氨基酸可能存在的熒光反應(yīng)，即兩分子的氨基酸脫去兩分子水生成穩(wěn)定的六元環(huán)剛性結(jié)構(gòu)[9-10]。如圖7、8、9所示，以甘氨酸、丙氨酸和絲氨酸為例進(jìn)行推導(dǎo)得出其可能的反應(yīng)過(guò)程，但這僅僅處于推理階段，還需要通過(guò)相關(guān)檢驗(yàn)方法進(jìn)一步驗(yàn)證才能得出準(zhǔn)確結(jié)論。

圖7 甘氨酸熱致熒光反應(yīng)方程式Fig.7 Deduction of the heated glycine to produce heat-induced fuorescence

圖8 丙氨酸熱致熒光反應(yīng)方程式Fig.8 Deduction of the heated alanine to produce heat-induced fuorescence

圖9 絲氨酸熱致熒光反應(yīng)方程式Fig.9 Evolution of the heated serine to produce heat-induced fuorescence

3.2 討論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別考查了紙張承痕客體及汗液中的幾種成分對(duì)熒光效果的影響，確定了紙張不是熱致熒光反應(yīng)的必要條件，即離開紙張同樣也能夠產(chǎn)生熒光現(xiàn)象。由此確定了熒光物質(zhì)可以由汗液中的某種成分通過(guò)加熱反應(yīng)生成。氯化鈉對(duì)汗液的熱致熒光效果沒(méi)有促進(jìn)作用，說(shuō)明氯化鈉不參與熒光反應(yīng)也不會(huì)生成熒光物質(zhì)。汗液中的11種氨基酸加熱都能產(chǎn)生熒光效果，且氨基酸的濃度越高熒光效果越好，明確了熒光物質(zhì)主要由汗液中的氨基酸加熱反應(yīng)生成。汗液在白色復(fù)印紙上的熱致熒光靈敏度是1 μL，即汗液量只要大于等于1 μ L就可以觀察到熒光現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)證明了溫度控制在200 ℃左右直接加熱氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品也能夠生成熒光物質(zhì)，這為后續(xù)研究熒光物質(zhì)提供了可能性。因此，在后續(xù)的研究過(guò)程中可以直接加熱氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品提取熒光物質(zhì)。本文從理論上推導(dǎo)出了針對(duì)氨基酸可能存在的熒光反應(yīng)，得出氨基酸有關(guān)的熱致熒光反應(yīng)過(guò)程及生成物結(jié)構(gòu)式，然而這些結(jié)論還只是建立在推理的基礎(chǔ)上，后續(xù)的研究過(guò)程計(jì)劃先進(jìn)行系統(tǒng)的氨基酸熒光反應(yīng)推導(dǎo)，然后再逐個(gè)通過(guò)紅外光譜、GC-MS以及核磁共振等手段來(lái)驗(yàn)證推測(cè)機(jī)理的可行性，最終確定準(zhǔn)確且完整的熱致熒光成像技術(shù)的反應(yīng)過(guò)程。

［1］ 李孝君, 黃涪江, 周飛, 等. 紙張上汗?jié)撌钟晒鉄岢上駲z驗(yàn)技術(shù)研究進(jìn)展［J］. 警察技術(shù), 2015(2):31-33.

［2］ 徐尉. 最新TFD-2系統(tǒng)顯現(xiàn)常見(jiàn)紙張上汗?jié)撌钟〉难芯浚跠］.北京：中國(guó)人民公安大學(xué)，2013.

［3］ 徐尉, 常柏年, 王鴻飛, 等. TFD-2紙張手印快速顯現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用［J］. 刑事技術(shù)，2012(4):19-22.

［4］ 齊宇頌, 羅頓, 彭穎. 紙張上汗?jié)撌钟〉墓鈱W(xué)顯現(xiàn)研究［J］. 廣東公安科技, 2013, 21(2):48-51.

［5］ 王躍, 李艷國(guó), 劉必松. 熱敏熒光掃描顯現(xiàn)紙張潛在手印技術(shù)［J］. 廣東公安科技, 2010, 18(3):18-22.

［6］ 齊宇頌, 羅頓. 滲透性客體上潛在手印的熱顯現(xiàn)方法研究［J］.警察技術(shù), 2013(4):27-29.

［7］ 趙向欣. 中國(guó)刑事科學(xué)技術(shù)大全：指紋技術(shù)［M］. 北京：中國(guó)人民公安大學(xué)出版社，2003.

［8］ 胡建軍, 于艷, 周春隆. 有機(jī)熒光物質(zhì)特性與應(yīng)用進(jìn)展［J］. 精細(xì)石油化工, 1996(6): 4-9.

［9］ Song DF, Sommerville D, Brown AG, et al. Thermal development of latent fngermarks on porous surfaces--further observations and refnements［J］. Forensic Science International, 2011, 204(1-3):97-110.

［10］ Richmond-Aylor A, Bell S, Callery P, et al. Thermal degradation analysis of amino acids in fngerprint residue by pyrolysis GCMS to develop new latent fingerprint developing reagents［J］. Journal of Forensic Sciences, 2007, 52(2):380-382.

Preliminary Exploration of the Mechanism on Thermally-induced Fluorescence Imaging to Develop Latent Sweat Fingerprints

LI Xiaojun1, LI Bo2, ZHAI Guangliang3, ZHANG Leiping1, SUN Zhenwen1, CHEN Ruili2
(1. Institute of Forensic Science, Ministry of Public Security, Beijing 100038, China; 2. Chinese People’s Public Security University, Beijing 100038, China; 3. Criminal Technology Detachment of Jinan Division of Railway Public Security, Jinan 250001, China)

ObjectiveTo explore the mechanism by which the thermally-induced fluorescence imaging can develop latent sweat fngerprints on paper, and search how to infuence the thermally-induced fuorescence by each of the principal sweat components.MethodsThe fingerprint carriers are chosen as paper, aluminum foil, glass slides and metal surfaces. The principal components of sweat are separately examined along with the fngerprint carriers so that the main reason can be determined for fuorescence to be emitted.ResultsThe experimental results show that it is just the amino acids, when being heated, to produce strong and stable fuorescence other than the else ingredients of sweat or the carriers.ConclusionsThe fuorescent substance is mainly evolved from the 11 kinds of sweat-contained amino acids such as glycine, alanine and serine, bringing us a cornerstone to verify the reaction mechanism of thermally-induced fuorescence imaging to develop latent sweat fngerprints.

thermally-induced fuorescence; reaction mechanism; sweat fngerprints; amino acid

DF794.1

A

1008-3650(2016)06-0487-04

2016-02-06

格式：李孝君，李波，翟廣亮，等. 熱致熒光成像技術(shù)顯現(xiàn)汗?jié)撌钟》磻?yīng)機(jī)理初探[J]. 刑事技術(shù)，2016, 41(6):487-490.

10.16467/j.1008-3650.2016.06.0013

公安部物證鑒定中心基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（NO.2014JB007）

李孝君（1982—），男，山西忻州人，博士，助理研究員，研究方向?yàn)槭钟z驗(yàn)技術(shù)。E-mail: com.cn.li@163.com