指印残留物中的正常人体代谢物除了大部分的水和少量的无机盐外, 还有氨基酸、油脂、脂肪酸等有机物, 通过对这类物质的分析检测, 可为判断遗留者的性别、年龄、血型等提供依据。

Rowell研究小组曾以疏水硅颗粒为显现剂、增强剂, 对潜指印进行了显现并对其中的毒品及其代谢物进行了表面辅助激光解吸离子化飞行时间质谱 (Surface-Assisted Laser Desorption/ Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometry, SALDI-TOF/MS)分析。但由于疏水性物质的存在影响了极性物质的离子化效率, 进而降低了检测灵敏度, 使该方法不能直接分析指印中的氨基酸等亲水性成分^{[27, 28]}。尽管有研究者采用GC/MS对指印物质中的氨基酸成分进行了分析, 但进行色谱分析之前仍需复杂繁琐的萃取和衍生^[29]。为了解决这一问题, Lim等^[30]制备了具有磁性内核的硅纳米粒子, 并对其进行疏水/亲水修饰后作为磁性固相萃取（MSPE）的吸附剂, 分别对指印残留物中的亲油性物质（如脂肪酸、油脂等）以及亲水性物质（如氨基酸等）进行萃取吸附, 随后将其作为表面辅助剂直接用于SALDI-TOF/MS分析。在该研究中, 基于磁性硅纳米粒子构建的MSPE吸附剂同时亦是增强剂, 省去了质谱分析前的洗脱步骤, 可减少样品损失、缩短预处理时间, 有助于提高检测灵敏度和分析速度。

除了通过对纳米粒子进行表面修饰来制备MSPE吸附剂, 用于氨基酸、油脂成分的吸附和富集外, 研究者们还基于具有表面增强拉曼（SERS）活性的金纳米粒子设计、组装了便携式测试片, 用于指印残留物的拉曼光谱分析。2015年Qin研究小组^[31]以无碎片、超高纯度的氨基功能化硅藻土为模板, 通过静电相互作用将由柠檬酸稳定的金纳米粒子均匀、密集地组装于其上, 随后将固载金纳米粒子的硅藻土颗粒压制成纽扣状用于分析检测（图1）。研究者们对此三维有序的测试片进行了增强倍数、重复性以及长期稳定性的评价。该方法不仅成本低廉、使用方便, 无需进一步的培养, 而且通过选择两种尺寸适宜〔（18± 2.4）nm和（32± 5.4）nm〕的金纳米粒子作为增强剂, 既保证了较好的SERS活性, 又可均匀、密集地粘附和分布在模板上; 同时有序的组装也意味着良好的重现性; 功能化的硅藻土压制成固定尺寸的纽扣状（直径为13 mm, 厚度为2 mm）, 既便于携带又适合于现场检测。

图1

Fig.1

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	图1 纽扣式便携测试片的组装及其在指印残留物SERS检测中的原理示意图[31]Fig.1 Schematic diagram of the assembly of Au-nanoparticles onto amino-functionalized diatomaceous earth template and the fabricated button-like portable tablet for SERS detection of the chemical composition from eccrine sweat in latent fingerprints

该测试片被成功用于汗潜指印残留物的分析中^[31]。志愿者分别在上述测试片、负载等量相同金纳米粒子的玻片以及空白玻片上留下汗潜指印, 随后分别采集拉曼光谱。图2展示了不同基底上汗潜指印的拉曼光谱图。a中的峰数目及强度均高于b, 意味着以固载金纳米粒子阵列的硅藻土制备的测试片为基底, 有利于获取更加精细和丰富的光谱信息; 而若基底中不含金纳米粒子, 即使增强激发光源的强度至10倍, 拉曼光谱中仍然几乎没有可用的信息（见图2c）。该法利用了金纳米粒子的SERS活性, 增强的光谱信号提供了丰富的化学成分信息, 有望用于指印残留物中痕量化合物的分析, 为侦查和医学诊断服务。

图2

Fig.2

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图2 基于不同基底的汗潜指印SERS光谱图[31]（a：实验中制备的纽扣状测试片, b：负载等量相同金纳米粒子的玻片, 激发波长：638 nm, 激光功率：1 mW; c：空白玻片, 激发波长：638 nm, 激光功率：10 mW）Fig.2 SERS spectrums of eccrine sweat in a latent fingerprint after the subtraction of the substrate interference, acquired from (a：the button-like portable SERS substrate composed of 32± 5.4 nm Au nanoparticle arrays on diatomaceous earth template; b：a glass substrate covered with same amount of 32± 5.4 nm Au nanoparticles as a’ s. Excitation wavelength: 638 nm; laser power: 1 mW. c：Raman spectrum of eccrine sweat in a latent fingerprint acquired from a glass substrate. Excitation wavelength: 638 nm; laser power: 10 mW)

涉毒人员往往因接触或吸食毒品, 而使其指印残留物中存在毒品及其代谢物。因此, 对此类物质的分析检测, 有助于侦查人员明确案件性质、确定侦查范围和方向, 为诉讼提供证据。

金纳米粒子除了具有特殊的光学特性外, 还具有较好的生物相容性, 可广泛地应用于多种免疫分析方法中。2007年, Leggett研究小组^[11]提出采用抗体修饰的纳米颗粒与指印残留物中的抗原物质进行特异性的免疫结合, 推测遗留者的个人信息。研究中选用指印残留物中的可替宁（尼古丁在人体内的代谢产物）作为目标化合物, 将抗体修饰过的金纳米溶液涂覆在潜指印表面, 温孵后洗去未结合的金纳米颗粒, 再加入具有荧光的二抗进行温孵。若指印为吸烟者所留, 其汗液中含有的少量可替宁（抗原）与修饰在金纳米颗粒上的特异性抗体结合, 再通过荧光二抗的显现, 可在显现潜指印的同时, 指示该指印为吸烟者所留（如图3）。通过这一思路, 可建立不同的方法利用潜指印甄别吸烟者、吸毒者以及某种疾病患者, 刻画行为人的人身特点, 为确定案件的侦查方向提供线索和依据。这一里程碑式的研究报道, 开启了人们在显现潜指印的同时通过对指印残留物的分析获得多维信息的研究序幕。

图3

Fig.3

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图3 上：可替宁抗体标记纳米金复合物的示意图。下：男性吸烟者出汗40分钟后拇指指印经Alexa荧光546-标记二抗显现后的荧光图片, （a）~（c）中的比例尺分别代表：5、2和1 mm [11]Fig.3 Top: representative of the antibody-nanoparticle conjugates. The conjugates were formulated by protein A, a biological linker, to join the anti-cotinine antibody onto gold-particle surface. Bottom: the images, from the thumb of a male smoker 40 min after sweating, were illuminated by an Alexa Fluor 546- tagged secondary antibody fragment at the scale of (a)~(c) 5, 2 and 1 mm

2009年, Wolfbeis^[32]选用磁性纳米颗粒为载体, 利用吸毒者指印残留物中抗原物质, 即可卡因代谢产物苯甲酰芽子碱（BzECG）与固载于磁性纳米颗粒上抗体之间的特异性结合, 基于免疫荧光标记技术, 实现了BzECG潜指印的显现。原理如图4所示：首先将可与BzECG结合的一抗修饰在磁性纳米颗粒之上, 利用一抗与指印残留物中BzECG之间的免疫反应, 将磁性纳米颗粒结合在指印残留物上, 用磁性刷除去多余的磁性纳米颗粒, 随后利用荧光标记的二抗对潜指印进行显现, 最终可观察到具有红色荧光的指印图案, 而未吸毒者的指印则不会出现红色荧光。磁性纳米颗粒经表面修饰后, 可较好地与抗体进行结合, 且可通过外加磁场除去未结合的纳米颗粒, 避免了由此引起的背景干扰。因此, 通过该法可在实现潜指印显现的同时, 对指印遗留者在遗留指印之前是否吸食可卡因进行快速判断。

图4

Fig.4

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图4 上：抗体修饰的磁性纳米复合物对毒品及其代谢物的检测原理示意图; 下：潜指印（A）明场和（B）荧光成像图, 比例尺：1mm[32]Fig.4 Top: Detection of drugs and metabolites by antibody-magnetic-particle conjugates. Bottom: Detection of benzoylecgonine in a fingerprint. The images, under (A) bright field and (B) fluorescence, from a section of a latent fingerprint revealed after incubation of antibenzoylecgonine-antibody-functionalized magnetic particles and a secondary antibody displaying red fluorescence. Scale bars: 1 mm

2013年, Li等^[33]提出了一种新的研究方法和手段, 以结合适体的金纳米粒子为荧光成像和特异性识别探针, 利用高分辨暗视场显微技术（DFM）在对潜指印进行成像的同时实现对指印中可卡因的识别（显现机理见图5上）。实验中, 将可卡因特异性识别的适体剪成两段, 通过Au-S键分别修饰在直径为50 nm左右的金纳米粒子上, 此时在DFM下可观察到金纳米粒子呈现出绿色; 当待测物分子（可卡因）出现时, 它作为分子联结剂, 将两条单链DNA组装成完整的适体三级结构, 同时也引起了金纳米粒子的聚集, 在DFM下可观察到其颜色由绿色变为红色, 可实现对可卡因的半定量检测。该法不仅能够快速、简便、非破坏性地显现潜指印, 还可清晰识别指印细节特征中的二、三级结构（图5下）; 同时充分地利用了金纳米粒子的局域表面等离子体共振（localized surface plasmon resonance, LSPR）的特性, 增强了信号的强度和稳定性, 提高了成像的空间分辨率, 从而增强显现的效果。

图5

Fig.5

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图5 上：DFM显现潜指印的成像原理; 下：油潜指印暗场成像图。（A）物镜放大倍数为：4倍, （B）指印二、三级特征成像效果图[33]Fig.5 Top: Principle of nanoplasmonic imaging of LFPs and identification of cocaine in LFPs by DFM. Bottom: A) Dark-field image of a representative sebaceous LFP obtained with an objective lens at 4-fold of magnification. B) Dark-field images of LFPs showing level 2 details including crossover (1), termination (2), bifurcation (3), and island (4), plus level 3 details (pores in 1, 2, 3, and 4)

爆炸犯罪对人民的生命安全、财产安全以及社会安定、公共安全等带来严重的危害, 是公安机关打击的重点。2015年, Li等人基于黑索金和Cu²⁺与NADH的竞争反应对金纳米粒子LSPR散射光谱的出峰位置、强度的影响, 实现了指印残留物中黑索金的分析检测^[34]。如图6中上图所示, 在没有黑索金的情况下, NADH将还原Cu²⁺生成Cu⁰沉降在金纳米颗粒的表面, 从而导致其LSPR散射光谱的红移; 黑索金的存在会与Cu²⁺竞争同NADH的反应, 此时金纳米颗粒表面铜壳的生长受阻、等离子响应亦减弱, LSPR散射光谱上的红移现象消失。此外, 以50 nm的金纳米颗粒为造影剂, 结合DFM技术在暗场下可观察到汗孔等指印三级特征, 为遗留者的人身认定提供了可靠的依据（见图6下）。

图6

Fig.6

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图6 上：指印残留物中黑索金检验原理; 下：（A）油潜指印的暗场成像效果图（物镜：4倍）, （B）1~4为（A）中局部放大的细节特征, （C）放大条件下（物镜：60倍）观察到的金纳米颗粒, （D）随机选取（C）中3个点的局域表面等离子体共振散射光谱[34]Fig.6 Top：Principle of the nanoplasmonic detection of explosive. Bottom: (A) Dark-field image of representative sebaceous LFPs obtained with an objective lens under 4-fold of magnification. (B) Dark-field images of LFPs showing level 2 details including enclosure 1, termination 2, crossover 3, and island 4, plus level 3 details (pores in 1, 2, 3, and 4). (C) Magnified dark-field image of representative LFPs obtained with a 60-magnifying objective lens showing the presence of Au-NPs. (D) LSPR scattering spectra of three randomly selected green-color dots in C.

研究者们还利用DFM技术与表面等离子体共振瑞利散射（PRRS）光谱相结合, 对指印遗留物中的黑索金进行了高选择性的定量分析^[34]。如图7所示, 指印物质中不同质量的黑索金会导致反应中金纳米颗粒的等离子体带产生不同程度的红移, 基于此可建立相应的关系曲线, 实验中对黑索金的检测下限为：1 µ g（> 3σ ）, 从TEM图中还可观察到金纳米颗粒表面明显的壳层结构, 即反应过程中由NADH还原Cu²⁺沉降在金纳米颗粒表面的Cu⁰。在干扰实验中, 即使是同为硝基化合物的TNT、DNT、硝基苯、苦味酸亦不会对检测造成干扰, 具有较高的选择性。此法为无损检测, 对于保持证据的完整性有重要意义; 且检测中用碘钨灯作为光源代替荧光、拉曼光谱等检测中使用的激光, 避免了在检测中点燃爆炸物的可能。此外, 由于汗液、分泌物等亦存在光散射, 在纳米等离子成像过程中将产生红色背景干扰, 而此研究中的黑索金检测则是基于与Cu²⁺的竞争反应, 随着指印中黑索金量的增加将产生更多的绿色光点, 会大大降低假阴性率, 有望用于爆炸物携带者的鉴别。目前该方法的缺点是操作程序相对复杂、耗时较长。

图7

Fig.7

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图7 含有不同质量黑索金的指印处理后金纳米颗粒的PRRS光谱图; 指印中黑索金质量与等离子体红移波长(Δ λ )及((Δ λ max- Δ λ )/Δ λ max)的关系曲线, 其中Δ λ max为空白条件的最大红移波长, Δ λ max=35nm; 单个Au@Cu核-壳结构纳米颗粒的TEM图[34]Fig.7 The end-point PRRS spectra of representative Au-NPs in images of LFPs containing different loads of RDX. Two coordinate functions are shown of the relationship between RDX loads and plasmon band shift (Δ λ ), and that between RDX loads and ((Δ λ max- Δ λ )/Δ λ max). TEM image of a single Au@Cu core-shell nanoparticle