LaPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末的合成及其在指紋無(wú)損顯現(xiàn)中的應(yīng)用

王 猛

中國(guó)刑事警察學(xué)院痕跡檢驗(yàn)技術(shù)系，痕跡檢驗(yàn)鑒定技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110035

LaPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末的合成及其在指紋無(wú)損顯現(xiàn)中的應(yīng)用

王 猛

中國(guó)刑事警察學(xué)院痕跡檢驗(yàn)技術(shù)系，痕跡檢驗(yàn)鑒定技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110035

采用溶劑熱法在水和乙二醇的混合溶劑中合成出了高質(zhì)量的LaPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末。然后通過(guò)透射電子顯微鏡(TEM)、粉末X射線衍射(XRD)、熒光光譜(FS)等表征手段分別對(duì)稀土納米熒光粉末的微觀形貌、晶體類型、熒光性能進(jìn)行了表征，合成納米熒光粉末的形貌為單分散的納米棒，平均長(zhǎng)度為700 nm、平均直徑為20 nm，其晶體結(jié)構(gòu)為單斜LaPO4晶型，并且在254 nm紫外光照射下能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的綠色熒光。最后將合成的納米熒光粉末應(yīng)用于光滑客體表面汗?jié)撝讣y的無(wú)損顯現(xiàn)中，并詳細(xì)考察了指紋顯現(xiàn)的對(duì)比度、靈敏度、選擇性、背景干擾等指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用LaPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末顯現(xiàn)的指紋在254 nm紫外光的激發(fā)下能夠產(chǎn)生明亮的綠色熒光，指紋乳突紋線部位連貫清晰、細(xì)微特征反映明顯，指紋與客體之間的對(duì)比反差強(qiáng)烈、客體產(chǎn)生的背景干擾較小，因此該顯現(xiàn)方法具有較高的對(duì)比度、靈敏度和選擇性。本顯現(xiàn)方法具有操作方法簡(jiǎn)單、顯現(xiàn)效果優(yōu)良、適用范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)。本研究的重要?jiǎng)?chuàng)新之處在于，經(jīng)LaPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末顯現(xiàn)后的指紋還可以進(jìn)行后續(xù)的DNA提取及檢測(cè)，這是傳統(tǒng)的指紋顯現(xiàn)粉末所不能及的。本研究為指紋物證和生物物證這兩大物證的同時(shí)利用提供了有益參考。

指紋顯現(xiàn)； 無(wú)損顯現(xiàn)； 納米材料； 熒光； DNA

引 言

作為一種傳統(tǒng)的技術(shù)，指紋顯現(xiàn)技術(shù)在物證技術(shù)領(lǐng)域一直發(fā)揮著舉足輕重的作用。近些年來(lái)，隨著納米技術(shù)向刑事技術(shù)領(lǐng)域的滲透，先進(jìn)的納米熒光材料已經(jīng)逐漸被應(yīng)用到潛在指紋的顯現(xiàn)技術(shù)中[1-5]。與傳統(tǒng)的指紋顯現(xiàn)試劑相比，使用納米熒光材料顯現(xiàn)指紋能夠有效提高指紋顯現(xiàn)的對(duì)比度[6]、靈敏度[7]和選擇性[8]。作為一種嶄新的技術(shù)，DNA技術(shù)的迅速發(fā)展正在為物證技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)重要的革命。目前，DNA檢測(cè)技術(shù)已成為全球公認(rèn)的對(duì)生物物證進(jìn)行個(gè)體識(shí)別及親緣關(guān)系判斷最為有效的技術(shù)方法。如果把指紋物證和生物物證相結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)指紋高質(zhì)量顯現(xiàn)的同時(shí)，進(jìn)行指紋的DNA提取與檢測(cè)，勢(shì)必會(huì)在很大程度上提高物證的提取率和利用率。但是，指紋顯現(xiàn)與指紋的DNA提取與檢測(cè)通常是相互制約、相互影響的：一方面，如果先進(jìn)行指紋顯現(xiàn)，顯現(xiàn)試劑會(huì)在不同程度上對(duì)指紋的DNA提取造成污染，甚至導(dǎo)致指紋的DNA檢測(cè)失??； 另一方面，如果先進(jìn)行指紋DNA的提取與檢測(cè)，必然會(huì)破壞指紋，最終導(dǎo)致指紋顯現(xiàn)的失敗。鑒于此，提出一種對(duì)指紋的DNA提取與檢測(cè)無(wú)影響的無(wú)損顯現(xiàn)新技術(shù)具有重要的理論研究意義和實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

本研究采用溶劑熱法合成出性能優(yōu)良的LaPO4∶Ce, Tb納米熒光材料，并將其應(yīng)用到指紋的無(wú)損DNA顯現(xiàn)技術(shù)中，在保證高對(duì)比度、高靈敏度、高選擇性顯現(xiàn)指紋的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)指紋的DNA提取與檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑

氧化鑭(99.99%)、氧化鋱(99.99%)、六水合硝酸亞鈰(99.99%)、十二水合磷酸鈉(分析純)、乙二醇(分析純)、無(wú)水乙醇(分析純)、濃硝酸(優(yōu)級(jí)純)、氫氧化鈉(分析純)。

1.2 LaPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末的合成

向0.977 5 g(3.00×10-3mol)氧化鑭與0.280 4 g(3.75×10-4mol)氧化鋱的混合物中加入足量濃硝酸，加熱使氧化物溶解，形成透明溶液，繼續(xù)加熱蒸發(fā)，得到白色稀土硝酸鹽固體。向硝酸鹽中加入1.082 5 g(2.50×10-3mmol)硝酸亞鈰，并用50 mL水和200 mL乙二醇的混合溶劑將稀土硝酸鹽溶解，形成稀土硝酸鹽溶液。用100 mL水將3.801 2 g(1.00×10-2mol)磷酸鈉溶解，并緩慢加入到上述稀土硝酸鹽溶液中，采用磁力攪拌使反應(yīng)體系混合均勻，用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)混合物的pH為8.0。將所得混合物注入水熱合成反應(yīng)釜，在180 ℃的密封環(huán)境下反應(yīng)2 h。待水熱合成反應(yīng)釜的溫度降至室溫，開封。向反應(yīng)產(chǎn)物中加入500 mL無(wú)水乙醇，將混合物離心分離，并用水充分洗滌沉淀，重復(fù)離心、洗滌步驟3次。將離心得到的白色沉淀在50 ℃恒溫烘箱中干燥12 h，最終得到LaPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末[9]。

1.3 LaPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末的表征

使用美國(guó)FEI公司TECNAI20型透射電子顯微鏡(TEM)表征納米熒光材料的微觀形貌及顆粒尺寸； 使用荷蘭PANalytical公司X’ Pert Pro型多晶X射線衍射(XRD)儀表征納米熒光材料的晶體類型； 使用美國(guó)Perkin Elmer公司LS-55型熒光光譜(FS)儀表征納米熒光材料的熒光性能。

1.4 LaPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末用于指紋顯現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)中借鑒文獻(xiàn)方法顯現(xiàn)指紋[10]，具體操作如下：首先，將手洗干凈后自然晾干，并在客體表面按捺汗?jié)撝讣y； 然后，用蘸取少量LaPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末的鸛毛刷在遺留指紋表面刷顯，當(dāng)顯現(xiàn)出指紋的大致輪廓后，去掉鸛毛刷上的粉末，繼續(xù)沿著指紋紋線的流向方向掃動(dòng)，直至顯現(xiàn)出清晰的指紋紋線； 最后，將顯出的指紋在254 nm紫外燈的照射下觀察，并用數(shù)碼單反相機(jī)拍攝。

1.5 指紋的DNA檢測(cè)

(1)指紋DNA的提取。用法醫(yī)生物提取棉簽蘸取適量的生理鹽水，并徹底擦拭客體表面的指紋，使指紋物質(zhì)連同納米粉末全部轉(zhuǎn)移到棉簽表面。將棉簽的頭部剪下，并放入離心管中保存。

(2)指紋DNA的純化。使用美國(guó)Promega公司的DNA IQTM Casework Pro Kit試劑盒進(jìn)行裂解處理，在上述離心管中加入裂解液，在95 ℃恒溫下震蕩裂解30 min。裂解產(chǎn)物使用美國(guó)Promega公司的Maxwell型DNA自動(dòng)純化儀進(jìn)行純化處理。

(3)指紋DNA的PCR擴(kuò)增。使用美國(guó)Promega公司的PowerPlex-21試劑盒處理DNA提取物，并使用美國(guó)ABI公司的9700型PCR擴(kuò)增儀進(jìn)行PCR復(fù)合擴(kuò)增處理。

(4)指紋DNA的STR檢測(cè)。使用美國(guó)ABI公司的3130XL型基因分析儀將PCR擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行STR分型檢測(cè)。

(5)指紋DNA的結(jié)果分析。利用Gene Mapper ID-X軟件對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行DNA片段分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 LaPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末的表征

圖1為L(zhǎng)aPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末的透射電子顯微

鏡(TEM)照片，該納米熒光粉末的微觀形貌為棒狀，分散性良好，納米棒的平均長(zhǎng)度為700 nm、平均直徑為20 nm。

圖1 LaPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末的透射電子顯微鏡照片

Fig.1 Transmission electron micrograph of LaPO4∶Ce, Tb fluorescent nanopowders

圖2(a)為L(zhǎng)aPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末的X射線衍射(XRD)譜圖，其衍射峰對(duì)應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)為單斜LaPO4晶型(JCPDS No.84-0600)，衍射峰的位置和強(qiáng)度與LaPO4標(biāo)準(zhǔn)譜圖[圖2(b)]匹配一致。

圖2 LaPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末的X射線衍射譜圖

Fig.2 Experimental powder X-ray diffraction pattern LaPO4∶Ce, Tb fluorescent nanopowders (a), and calculated line pattern for LaPO4(b)

圖3為L(zhǎng)aPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末的激發(fā)光譜與發(fā)射光譜。在544 nm發(fā)射波長(zhǎng)下的激發(fā)光譜如圖3a所示，在230～320 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)存在一個(gè)中心波長(zhǎng)位于273 nm的強(qiáng)吸收帶，對(duì)應(yīng)于Ce3+的4f—5d躍遷吸收。在273 nm激發(fā)波長(zhǎng)下的發(fā)射光譜如圖3b所示，發(fā)射光譜中出現(xiàn)了Tb3+特有的尖銳發(fā)射峰。中心波長(zhǎng)位于488，544，586和620 nm處的四個(gè)發(fā)射峰，分別對(duì)應(yīng)于Tb3+的5D4→7F6，5D4→7F5，5D4→7F4和5D4→7F3能級(jí)躍遷。

Fig.3 Excitation spectrum (a), and emission spectrum (b) of LaPO4∶Ce, Tb fluorescent nanopowders

2.2 LaPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末用于指紋顯現(xiàn)

2.2.1 顯現(xiàn)效果的考察

研究首先考察指紋顯現(xiàn)的對(duì)比度、靈敏度和選擇性。在254 nm紫外燈下觀察，指紋的乳突紋線部位產(chǎn)生了明亮的綠色熒光[圖4(b)]，指紋與客體間的反差明顯，因此具有較高的對(duì)比度。指紋的乳突紋線部位連貫清晰，細(xì)微特征反映明顯，因此具有較高的靈敏度。指紋的小犁溝及皺紋部位沒(méi)有產(chǎn)生綠色熒光，與客體保持一致[圖4(c)]，指紋與客體間的反差明顯，因此具有較高的選擇性。綜上所述，LaPO4∶Ce, Tb納米熒光材料所產(chǎn)生的熒光信號(hào)有利于強(qiáng)化指紋與客體間的反差，進(jìn)而提高了顯現(xiàn)對(duì)比度； 其細(xì)小的粒徑有利于反映指紋中的細(xì)微特征，進(jìn)而提高了顯現(xiàn)靈敏度； 其可控的表面性質(zhì)及附著能力有利于控制納米顆粒與指紋遺留物之間的結(jié)合方式及程度，進(jìn)而提高了顯現(xiàn)的選擇性。

圖4 使用LaPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末顯現(xiàn)玻璃客體表面汗?jié)撝讣y的效果照片

(a)：明場(chǎng)照片； (b)：254 nm紫外光照射下的暗場(chǎng)照片； (c)為(b)的局部放大照片

Fig.4 Latent fingerprints on glass developed by LaPO4∶Ce, Tb fluorescent nanopowders：(a) image in the bright field, (b) image in the dark field with 254 nm ultraviolet excitation, and (c) corresponding magnified image

2.2.2 背景干擾的考察

研究繼續(xù)考察指紋顯現(xiàn)的背景干擾情況。使用LaPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末對(duì)綠色背景顏色的塑料包裝紙[圖5(a)]及復(fù)雜花紋圖案的雜志印刷紙[圖5(b)]表面汗?jié)撝讣y進(jìn)行顯現(xiàn)，在254 nm紫外燈下觀察，指紋與客體間的反差明顯，指紋的紋線清晰連貫、細(xì)微特征明顯，并沒(méi)有受到客體顏色及背景熒光的干擾[圖5(a’—b’)]。綜上所述，LaPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末的熒光性能優(yōu)良，足以克服背景干擾，進(jìn)而提高了顯現(xiàn)的對(duì)比度。

圖5 使用LaPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末顯現(xiàn)復(fù)雜顏色背景圖案客體表面汗?jié)撝讣y的照片(a—a’)塑料包裝紙； (b—b’)雜志印刷紙(a—b)為明場(chǎng)照片； (a’—b’)為254 nm紫外光照射下的暗場(chǎng)照片

Fig.5 Latent fingerprints developed by LaPO4∶Ce, Tb fluorescent nanopowders, and excited by 254 nm ultraviolet light on plastic paper (a—a’) and printing paper (b—b’): (a—b) are images in the bright field, and (a’—b’) are images in the dark field with 254 nm ultraviolet excitation

2.2.3 適用客體范圍的考察

研究最后考察指紋顯現(xiàn)的適用性。使用LaPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末對(duì)大理石[圖6(a—b)]、金屬[圖6(c—d)]、油漆木[圖6(e—f)]、便箋紙[圖6(g)]、塑料片[圖6(h)]表面的汗?jié)撝讣y進(jìn)行顯現(xiàn)，并在254 nm紫外燈下觀察，指紋與客體間的反差明顯，沒(méi)有受到客體顏色及背景熒光的干擾，乳突紋線清晰連貫、細(xì)微特征明顯[圖6(a’—h’)]，顯現(xiàn)效果優(yōu)良。值得一提的是，使用LaPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末顯現(xiàn)彩色印刷紙張[圖5(b’)]和熒光便箋紙[圖6(g’)]表面的汗?jié)撝讣y，顯現(xiàn)效果依然良好，說(shuō)明LaPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末同樣適用于顯現(xiàn)光滑紙張表面的汗?jié)撝讣y。

2.3 指紋的DNA提取及檢測(cè)

研究直接將粉末法顯現(xiàn)后的指紋用沾有生理鹽水的棉簽反復(fù)擦拭提取，將提取得到的DNA進(jìn)行裂解、純化、PCR擴(kuò)增、STR熒光檢測(cè)、分析。檢測(cè)圖譜如圖7所示，在STR熒光檢測(cè)圖譜中出現(xiàn)了30組具有較高強(qiáng)度的信號(hào)峰，完全能夠達(dá)到法醫(yī)同一認(rèn)定的要求。

圖6 使用LaPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末顯現(xiàn)常見(jiàn)客體表面汗?jié)撝讣y的照片(a—a’)鋁箔； (b—b’)不銹鋼； (c—c’)瓷磚； (d—d’)大理石； (e—e’)地板； (f—f’)油漆木； (g—g’)便箋紙； (h—h’)塑料卡片(a—h)為明場(chǎng)照片； (a’—h’)為254 nm紫外光照射下的暗場(chǎng)照片

Fig.6 Latent fingerprints developed by LaPO4∶Ce, Tb fluorescent nanopowders, and excited by 254 nm ultraviolet light on various substrates: (a—a’) aluminum foil, (b—b’) stainless steel, (c—c’) tile, (d—d’) marble, (e—e’) floor board, (f—f’) painted wood, (g—g’) scribbling paper, and (h—h’) plastic card.(a—h) are images in the bright field, and (a’—h’) are images in the dark field with 254 nm ultraviolet excitation

圖7 指紋DNA的STR熒光檢測(cè)圖譜

3 結(jié) 論

采用溶劑熱法在水和乙二醇的混合體系中合成出高質(zhì)量的LaPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末。合成LaPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末的微觀形貌為單分散的納米棒，其平均長(zhǎng)度約為700 nm、平均直徑約為20 nm，晶體結(jié)構(gòu)為單斜LaPO4晶型，在254 nm紫外光的激發(fā)下能夠發(fā)射出較強(qiáng)的綠色熒光。將LaPO4∶Ce, Tb納米熒光粉末與傳統(tǒng)的粉末顯現(xiàn)法相結(jié)合，對(duì)一系列光滑非滲透性以及滲透性客體表面的汗?jié)撝讣y進(jìn)行顯現(xiàn)，表現(xiàn)出較高的對(duì)比度、靈敏度、選擇性。本顯現(xiàn)方法具有操作過(guò)程簡(jiǎn)單、顯現(xiàn)效果優(yōu)良、背景干擾較小、應(yīng)用范圍廣泛等特點(diǎn)，并且顯現(xiàn)后的指紋可以實(shí)現(xiàn)后續(xù)的指紋DNA提取與檢測(cè)。

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(Received Dec.10, 2015; accepted Mar.14, 2016)

Synthesis of LaPO4∶Ce, Tb Fluorescent Nanopowders and Their Applications in Nondestructive Development of Latent Fingerprints

WANG Meng

Department of Trance Examination, National Police University of China, Key Laboratory of Impression Evidence Examination and Identification Technology, Ministry of Public Security, Shenyang 110035, China

LaPO4∶Ce, Tb fluorescent nanopowders with high quality were synthesized via a hydrothermal method.The size, phase, and fluorescent property of as-prepared fluorescent nanopowders were then characterized by transmission electron microscopy (TEM), powder X-ray diffraction (XRD) measurements, and fluorescence spectroscopy (FS).The fluorescent nanopowders were well-dispersed and rod-like in shape, with an average diameter of about 20 nm and an average length of about 700 nm.The fluorescent nanopowders were of pure monoclinic LaPO4structure.They could emit strong green fluorescence under the 254 nm ultraviolet excitation.The LaPO4∶Ce, Tb fluorescent nanopowders were finally used as novel fluorescent labels for the nondestructive development of latent fingerprints on various smooth substrates, and the developing contrast, sensitivity, selectivity, as well as the background interference were also discussed in detail.The experimental results showed that the latent fingerprints labeled by LaPO4∶Ce, Tb fluorescent nanopowders could give strong green emissions under 254 nm ultraviolet lights, and thus well-defined friction ridges with sharp edges and some detailed features could be clearly observed, with high contrast, high sensitivity, high selectivity, and low background interference.It was shown that our development procedure was facile, effective and well applicable with outstanding performance.More importantly, the extraction and detection of DNA in fingerprint residues could also be achieved after fingerprint development, which was almost impossible to achieve by using the traditional used developing powders including metal powder, metallic powder, and fluorescent powder.Therefore, our work provides beneficial references for the full utilization of both fingerprints and DNA evidences.

Fingerprint development; Nondestructive; Nanomaterials; fluorescence; DNA

2015-12-10，

2016-03-14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21205139)，遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(LJQ2014130)，公安部應(yīng)用創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2012YYCXXJXY127)，公安部科技強(qiáng)警基礎(chǔ)工作專項(xiàng)項(xiàng)目(2014GABJC033)和遼寧省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃立項(xiàng)課題項(xiàng)目(JG15DB443)資助

王 猛，1983年生，中國(guó)刑事警察學(xué)院痕跡檢驗(yàn)技術(shù)系副教授 e-mail：mengwang@alum.imr.ac.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)05-1412-06