引用本文
张璐, 马荣梁, 薛静, 刘寰, 王明直. 上转换发光微粒悬浮液显现手印技术初探[J]. 刑事技术,2014,39(6): 36-38
ZHANG Lu, MA Rong-liang, XIE Jing, LIU Huan, WANG Ming-zhi. Development of latent fingerprints using NaYF4:Er,Yb luminescent up-converter particles[J]. Forensic Science and Technology,2014,39(6): 36-38  
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上转换发光微粒悬浮液显现手印技术初探
张璐1, 马荣梁1, 薛静2, 刘寰2, 王明直2
1.中国人民公安大学,北京 100038
2.公安部物证鉴定中心,北京 100038

作者简介:张 璐(1990—),女,山东济南人,在读硕士研究生,主要从事痕迹检验技术和手印学研究。Tel:010-66269497; E-mail:marl2013@163.com

摘要

目的 建立NaYF4:Er,Yb微粒悬浮液显现手印技术方法并界定适用范围与条件。方法 用NaYF4:Er,Yb微粒悬浮液显现瓷砖、玻璃等19种(各50枚)不同客体上皮脂汗手印,并对结果进行分析比较。结果 该方法对背景复杂的非渗透性客体上的油汗手印显现良好,其效果优于普通ZnO小颗粒悬浮液。结论 该方法操作简便、适用客体广泛、背景干扰少,适合进一步研究推广。

关键词: 上转换; 悬浮液; 油汗手印; 红外; 荧光; 指纹显现
中图分类号:DF794.1 文献标志码:A 文章编号:1008-3650(2014)06-0036-03
Development of latent fingerprints using NaYF4:Er,Yb luminescent up-converter particles
ZHANG Lu, MA Rong-liang, XIE Jing, LIU Huan, WANG Ming-zhi
Abstract

Objective To introduce a new method for latent fingerprints developing by using NaYF4:Er,Yb phosphor suspension,and explore its applicable scope and conditions. Methods The sebaceous fingerprints on non-porous surfaces, including plastic, tile, glass, metal et al. were developed with NaYF4:Er,Yb phosphor suspension. Results The sebaceous fingerprints on non-porous objects with complex background were developed successfully. The effectiveness of NaYF4:Er,Yb was compared with that of traditional Zinc Oxide powder, the results indicated that some benefit of NaYF4:Er,Yb over Zinc Oxide powder for the development of latent fingerprints. Conclusions NaYF4:Er,Yb phosphor suspension is a simple and effective method for fingerprints detection, and has the great potential for development of latent fingerprints.

Keyword: fingerprint development; up-converter particles; sebaceous fingerprints; fluorescence

荧光显现法是目前最常用的手印显现方法之一, 但传统荧光物质光学稳定性差、发射峰宽等问题使其在面对一些特殊性质如背景荧光覆盖或有花纹干扰客体上的手印时, 显现效果不甚理想。为解决这一问题, 研究人员提出利用反斯托克斯发光的上转换材料进行疑难客体上手印的显现。

目前有关上转换材料显现手印技术的研究多集中于粉末刷显法, 其中以澳大利亚悉尼科技大学的研究较为突出。马荣梁等人[1, 2, 3]使用NaYF4:Er, Yb与YVO4:Er, Yb两种上转换材料的粉末对玻璃、塑料等多种客体上的手印显现效果进行了研究报道。为克服粉末法扬尘、污染环境及不能显现潮湿或水泡客体的缺陷, 本文选用NaYF4:Er, Yb(铒, 镱共掺的氟化钇钠)为代表, 以小颗粒悬浮液的应用形式进一步考察上转换材料显现手印能力。

以NaYF4为基质、以Er3+、Yb3+为掺杂离子的上转换材料是目前发光效率最高的上转换材料之一。所谓上转换材料, 是指受到某种光激发时, 可以发射比激发光源波长短的荧光的材料[4]。与传统手印显现所用荧光物质吸收紫外光等短波长光、发射可见光的发光机制不同, NaYF4:Er, Yb等上转换材料可在长波红外光(λ > 780nm)的激发下发射出波长较短的可见光(λ =475~670nm), 其基本原理是双光子或多光子磷光[5]。由于发光机制与普通荧光物质不同, 利用上转换材料进行手印显现可以从根本上去除在其他光源照射下产生的背景非特异性荧光或花纹干扰[6]。此外, 与传统手印显现荧光物质相比, 上转换材料具有发光性质稳定、生物毒性低、荧光信噪比高等优势, 是一种较为理想的手印显现物质。

1 材料与方法
1.1 试剂和仪器

NaYF4:Er, Yb粉末、ZnO粉末(对照实验试剂)、Tween 20(水溶性非离子表面活性剂)、蒸馏水、量筒、药匙、烧杯、镊子、玻璃棒、电子天平、移液枪、吹风机、980nm近红外激光器、Canon EOS 5D数码相机、KQ5200DB型数控超声波清洗器。

1.2 样本及手印制作

玻璃、瓷砖、瓷盘、黄色封箱胶带(光面)、黑色电工胶带(光面)、农夫山泉矿泉水瓶、雀巢矿泉水瓶、百事可乐易拉罐、七喜易拉罐、铝制茶叶罐、银行卡、油漆木、木地板、大理石、黑色塑料板、黑色塑料袋等常见非渗透性客体。

由志愿者洗净双手晾干20min后擦蹭额头3~5次在各种客体上捺印若干手印。

1.3 溶液配制

(1)普通ZnO小颗粒悬浮液配制[7]:a.用移液枪量取1mL Tween 20放入适当大小的烧杯中, 加入蒸馏水40mL, 用玻璃棒不断搅拌至其完全溶解; b.用电子天平称取1g ZnO 粉末, 缓慢加入前述溶液中并稀释至100mL; c.用超声波清洗器震荡10min, (最大功率为200W, 使用超声功率60%), 再用玻璃棒搅拌10min, 使小颗粒保持分散, 制成悬浮液。

(2)NaYF4:Er, Yb微粒悬浮液配制:参照上述普通ZnO小颗粒悬浮液配制方法, 按照NaYF4:Er, Yb 1g、Tween 20 1mL、去离子水 100mL的配比配制NaYF4:Er, Yb微粒悬浮液。

1.4 方 法

(1)显现:本实验根据客体大小分别采用浸显和滴显两种方式。a.浸显法:对于黄色封箱胶带、黑色电工胶带、银行卡等体积较小的客体, 采用浸显法, 即将该手印承载客体浸入已搅拌均匀的悬浮液中约30s后取出; b.滴显法:对于瓷砖、油漆木、瓷盘等体积较大、不宜浸显的客体, 采用滴显法, 即用塑料滴管汲取悬浮液在留有手印部位反复滴显5次。

(2)漂洗:将显现后的客体浸入静水中反复漂洗约10s, 以洗去表面浮液。

(3)拍照固定:将样本取出用吹风机吹干后置于自然光下进行观察, 并用数码相机拍照固定手印显现效果。

(4)激发照相:将采用上转换微粒悬浮液显现的手印样本置于暗视场下, 用980nm的近红外激光器(功率不大于500mW)均匀照射, 并用相机记录其荧光效果。

2 实验结果
2.1 NaYF4:Er, Yb微粒悬浮液对不同客体上油汗手印显现效果

绝大多数非渗透性客体上的皮脂汗液手印, 经上述显现操作后, 有明显的荧光反映(见图1及表1)。

图1 NaYF4:Er, Yb微粒悬浮液对不同客体上油汗手印显现的荧光效果(光圈2.8; 曝光时间2s)

表1 不同客体上油汗手印显现质量(各50枚)

实验结果表明, NaYF4:Er, Yb微粒悬浮液对绝大多数非渗透性客体表面的油汗手印具有良好的显现效果。在980nm的近红外线的激发下, 与手印物质结合的NaYF4:Er, Yb微粒能发出绿色荧光, 而背景则因未与其结合且本身不受激发而不发荧光, 从而能达到显出手印、去除背景干扰的效果(见图2)。

图2 NaYF4:Er, Yb微粒悬浮液能有效去除手印承载客体背景;

该微粒悬浮液对胶带(光面)、玻璃、矿泉水瓶、易拉罐等表面光滑、背景复杂的非渗透性客体上的油汗手印有很好的显现效果, 其纹线清晰连贯, 荧光强度高, 部分客体上显现出的手印还可反映出指纹的三级特征(见图3)。

图3 黄色封箱胶带表面油汗手印反映出的指纹三级特征(汗孔)

该微粒悬浮液对可口可乐、雪碧等饮料瓶及银行卡、瓷砖表面的油汗手印显现效果较好, 手印纹线较为清晰连贯, 荧光强度较高, 但背景存在一定的着粉现象, 纹线与背景反差较前述光滑客体小。

该微粒悬浮液对瓷盘、油漆木等客体表面的油汗手印显现效果略差, 荧光强度较低, 多数可观察到手印轮廓及部分纹线, 尤其是瓷盘花纹部位的手印几乎没有荧光反映, 多为残缺指印。

对于黑色塑料袋, 其在红外激光器的照射下发生卷曲、损坏, 其上手印未能得到完整拍摄固定。

2.2 NaYF4:Er, Yb微粒悬浮液与普通氧化锌小颗粒悬浮液的比较

将留有手印的样本从手印中间部位裁剪为两部分, 分别用普通ZnO小颗粒悬浮液和NaYF4:Er, Yb微粒悬浮液进行显现, 显现效果如图4所示:

图4 普通ZnO小颗粒悬浮液与NaYF4:Er, Yb微粒悬浮液对百事易拉罐、雀巢饮用水瓶表面新鲜油汗手印显现效果

实验结果表明, 两种微粒悬浮液均能显出客体表面的油汗手印, 但效果差别较大:经普通ZnO小颗粒悬浮液显现后的手印纹线不连续, 部分细节特征未得到展现, 纹线颜色浅淡, 与承载客体背景的反差较小, 效果较差。经NaYF4:Er, Yb微粒悬浮液显现后的手印纹线细腻、流畅, 纹线边缘及细节特征清晰, 且色调明亮, 与背景客体反差较大, 能有效满足鉴定的需要。

3 讨 论
3.1 NaYF4:Er, Yb微粒悬浮液显现手印原理

与其他小颗粒悬浮液显现手印的原理基本相同, NaYF4:Er, Yb微粒悬浮液显现手印本质上是利用表面活性剂亲水亲油的分子结构, 使表面吸附有活性剂的NaYF4:Er, Yb微粒, 通过活性剂的亲油基与手印残留物质中氨基酸、油脂分子的憎水作用或分子间的范德华力, 与手印纹线发生吸附。然后利用材料独特的上转换发光特性, 通过检测结合手印物质后的材料在980nm近红外线的激发下所发出的可见荧光, 得到清晰的手印图像。

3.2 NaYF4:Er, Yb微粒悬浮液的适用范围

NaYF4:Er, Yb微粒悬浮液适用于常见非渗透性客体(如:塑料、玻璃、瓷砖、漆皮铁、铝制品等)表面油汗手印的显现, 尤其是对玻璃、塑料等表面光滑的客体上的手印具有良好的显现效果。经NaYF4:Er, Yb微粒悬浮液显现出的手印纹线细腻、流畅, 细节特征清晰, 部分甚至可以反映出指纹的三级特征, 且由于材料独特的上转换发光特性, NaYF4:Er, Yb微粒悬浮液对其他光源照射下背景干扰严重的客体表面的油汗手印显现效果突出。

3.3 注意事项

在对黑色塑料袋上的油汗手印进行激发拍照固定时, 由于选择的红外激光器的功率过大、曝光时间过长, 塑料袋在激光器的照射下发生了卷曲、损坏的情况, 其上手印未能得到完整拍摄固定。故在使用红外激光器对NaYF4:Er, Yb进行激发时应优先选用较低激光强度及较短的曝光时间, 根据客体条件及显现情况再逐步增强激光器强度或延长曝光时间, 以避免此类客体损坏情形的再次发生。

NaYF4:Er, Yb微粒悬浮液对绝大多数非渗透性客体上的油汗手印有较好的显现效果, 对背景复杂的客体上的手印显现效果突出。该方法操作简便、环保安全、适用客体广泛、背景干扰少, 适合进一步研究推广。

本文仅对NaYF4:Er, Yb上转换微粒悬浮液显现手印技术进行了初步探索, 尚需对悬浮液的组成及配比作进一步研究, 并将优化后的悬浮液法与传统荧光显现法进行对比, 对不同客体上不同遗留时间的油汗手印进行显现, 以全面考察NaYF4:Er, Yb上转换微粒悬浮液的手印显现能力。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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[2] Ma R, Bullock E, Maynard P, et al. Fingermark detection on non-porous and semi-porous surfaces using NaYF4: Er, Yb up-converter particles[J]. Forensic Science International, 2011, 207(1-3): 145-149. [本文引用:1]
[3] Ma R, Shimmon R, McDonagh A, et al. Fingermark detection on non-porous and semi-porous surfaces using YVO4: Er, Yb luminescent upconverting particles[J]. Forensic Science International, 2012(217): 23-26. [本文引用:1]
[4] 沈毅, 王少艳. 上转换发光材料研究进展与应用[J]. 河北理工大学学报(自然科学版), 2009(1): 76-79. [本文引用:1]
[5] 赵永凯, 周蕾, 黄慧杰, 等. 基于上转换发光技术的生物传感器及其应用[J]. 光学学报, 2005(6): 841-847. [本文引用:1]
[6] 马荣梁, 赵国辉, 朴相杰, 等. 上转换发光材料显现指纹技术的研发与应用展望[J]. 刑事技术, 2013(4): 8-11. [本文引用:1]