纳米SiO2的合成及其在潜指印显现中的应用研究进展
陈煜太1, 姜红1, 王文龙2, 王元凤2,3,*
1.中国人民公安大学刑事科学技术学院,北京 100038
2. 证据科学教育部重点实验室,中国政法大学,北京100081
3. 司法文明协同创新中心,北京100081

第一作者简介:陈煜太,男,四川广元人,硕士研究生,研究方向为刑事科学技术。E-mail:1315341602@qq.com

* 通讯作者简介:王元凤,女,辽宁沈阳人,博士,副教授,研究方向为刑事科学技术。E-mail:yuanfengw@cupl.edu.cn
摘要

指印不仅是一类重要的证据,而且被广泛应用于身份识别。传统指印显现材料存在与背景的反差不够、吸附力差、对环境和健康有害等多方面的不足。这限制了其在法庭科学领域中的应用。纳米指印显现材料在荧光性能、吸附能力和分辨率等方面都有明显的优势,近二十年成为指印显现领域的研究热点。由于纳米SiO2在合成、改性以及亲和性等方面具有先天优势,所以基于纳米SiO2的纳米指印显现试剂具有宽广的发展前景。为此,本文梳理了纳米指印技术的发展,介绍了纳米SiO2的合成方法与改性研究,探讨了其在指印显现领域的具体应用,提出了SiO2纳米材料的安全性问题,最终总结了指印技术的现阶段困境与未来展望。

关键词: 指印显现; 纳米材料; 纳米SiO2; 表面修饰
中图分类号:DF794.1 文献标志码:A 文章编号:1008-3650(2019)03-0201-06
Nano-Silica: Its Synthesis and Application Advances for Detecting Latent Fingermark
CHEN Yutai1, JIANG Hong1, WANG Wenlong2, WANG Yuanfeng2,3,*
1. School of Forensic Science, People’s Public Security University of China, Beijing 100038, China
2. MOE(Ministry of Education)’s Key Laboratory of Evidence Science
3. Collaborative Innovation Center of Judicial Civilization & China University of Political Science and Law, Beijing 100081, China
Abstract

Fingermark, an essential evidence for judicial identification, is widely used in daily life for individual recognition. Yet, the forensic-purposed conventional fingermark developing-reagent is of the deficiencies, e.g., inferior contrast, poor absorption capacity, deleteriousness to life health and environment, thereby having its forensic utilization limited. The nanomaterials for fingermark detection have many advantages such as emitting fluorescence, effectual affinity and high resolution, so as to make them a big hotspot for fingermark development in the latest twenty years. With the at-first review about the advances in fingermark development by nano-technique, this paper focused on the synthesis of silicon dioxide, one kind of nanoparticles, and its modification, concluding the application of nano-SiO2 in fingermark detection. Finally, the safety problems related to this technique were discussed, plus the reference being offered for further researches.

Key words: fingermarks detection; nanomaterial; nano silicon dioxide; surface modification

指印, 又称为手印, 主要是指分布在人手掌面上的表皮花纹, 是人体上具有鲜明特异性的皮肤纹路, 具有“ 触物留痕、人各不同、终生稳定” 的特征[1]。指印证据是法庭科学中最常见的关键证据。即使处在电子数据和DNA证据高度发展的今天, 指印证据依旧因广泛性和普及程度等方面的优势, 而在侦查破案中发挥重要作用。纳米指印技术是指用纳米材料代替传统材料进行显现的新型指印技术, 如纳米悬浮液指印显现剂。纳米材料主要具有三大优势, 即粒径小、光学性能优异以及表面改性能力强。粒径小能够更加凸显指印的细节特征; 光学性能优异可增加指印图像与背景之间的反差, 增强指纹提取效率; 表面改性能力可以改变材料的表面性能, 调节材料与指印和客体之间亲和性。总之, 纳米指印技术已经发展成为一种十分重要的指印显现技术。

1 纳米指印显现技术的优势

指印分为可见指印、潜指印和压痕指印[2]。指印显现技术专门针对潜指印的显现和提取进行研究, 可以概括为传统方法和新型方法。传统指印显现方法包括基于不同显现原理的物理显现、化学显现和光学显现, 新型指印技术则指依靠新的显现材料或显现设备发展起来的新技术[3]。基于纳米材料发展兴起的指印技术是近年来指印显现领域的研究热点, 在选择性和分辨率方面成果显著, 比传统方法更具优势。纳米材料在指印显现领域中的应用主要包括量子点材料、胶体金材料以及以纳米金属氧化物为主的纳米复合材料。

量子点是一类半导体纳米晶, 通过调节尺寸改变荧光性能, 比传统荧光材料具有更高的荧光效率、荧光强度和光稳定性, 是一种用途广泛的无机纳米荧光材料[4]。量子点指印材料的显现原理是基于量子点被指纹残留物的油脂吸附或者量子点表面基团与指纹残留物之间发生的静电吸引或者化学反应。Menzel等[5, 6]探索了利用十二烷基苯磺酸钠和树形分子作稳定剂合成了CdS量子点体系, 这成为了量子点指纹技术开端。随后, 研究人员报道了CdSe与CdTe量子点在指纹显现中的应用[7]。Cai等[8]通过增加表面基团数量, 制备了一种巯基丁二酸包覆的CdTe量子点, 改进了指印显现效果。然而, 上述研究成果均存在重金属环境污染和健康威胁方面的弊端。近年来, 低毒和高效的新量子点材料越来越受到人们的重视, 诸如BCNO材料[9]和量子点表面修饰技术[10, 11]的应用, 将减少量子点材料对环境和健康的损害。胶体金材料在指印显现中有广泛应用, 大家熟知的多金属沉积法和单金属沉积法[12]都是在胶体金体系之上建立的, 通过金纳米颗粒与指纹残留物之间的选择性吸附显现指印, 显现效果受pH值等因素影响。近年来, 有团队报道了反向吸附金属沉积法[13]的研究, 通过在纳米金表面修饰羧酸使其选择性沉积在纸张上, 为金属沉积法研究提出了新思路。此外, 对纳米金颗粒进行特异性修饰还能够达到同时实现指印显现和目标物质检测的双重目的。Russell等[14]提出通过对指纹残留物中可替宁的检测能够判断被测者是否吸烟, 并于2007年证明了这个设想, 如图1所示。Wolfbeis等[15]探索了该方法的机理, 并预测了在爆炸物检测方面的应用。随后, 研究人员成功地将该方法应用于吗啡、苯甲酰爱康宁的检测[16]。Li等[17]制备了表面修饰可卡因适配体的纳米金, 实现指印显现和指纹残留物中可卡因的检测。此外, 金纳米颗粒具有表面等离子体共振特性, 能用于制备暗场成像和分子识别双重功能的探针[18]

图1 抗体-纳米胶体金缀合物的结构[14]Fig.1 Structure of the antibody-nanoparticle conjugates[14]

纳米金属氧化物主要包括纳米TiO2、纳米ZnO、纳米Fe3O4和纳米Al2O3等, 通过改性技术赋予此类材料特殊的光学性能和表面性能, 一般以粉末的形式应用。Choi等[19, 20]用染料对纳米ZnO和TiO2进行荧光修饰, 研究了其对于指印细节特征的呈现。Chadwick等[21]制备了罗丹明6G和styryl 11染料混合染色的纳米Al2O3, 再将其与磁性粉末混合, 所得到的产物能够适应粗糙表面潜指印的显现。近年来, 复合型无机氧化物磷光粉末在指印显现领域得以应用, Sharma等[22]制备了Sr4Al14O25:Eu2+/Dy3+粉末, 成功显现了杂志纸张上指印。Darshan等[23]利用氧化钇掺杂氧化铝, 制备了蓝光波段的指印粉末。纳米金属氧化物粉末制备及使用程序简单, 然而小尺度颗粒在空气中的扩散悬浮问题一直是制约纳米指印粉末技术发展的重要瓶颈。

2 纳米SiO2的制备与改性
2.1 纳米SiO2合成方法

纳米SiO2是一种无定型白色粉末, 制备简单且无毒, 在纳米复合材料和纳米功能材料领域有着广泛的应用。合成方法以化学法为研究重点, 根据制备工艺分为干法和湿法, 具体包括气相法、溶胶凝胶法、反相微乳液法、沉淀法和溶胶种子法等。这些方法各有优势, 目前研究最广泛的是溶胶凝胶法和反相微乳液法。

2.1.1 溶胶凝胶法

溶胶凝胶法又称为Stö ber法, 1968年由Stö ber等[24]提出。之后许多学者研究了纳米SiO2的尺寸控制问题, 如分散介质对产物的影响[25]。此外, 由于溶胶凝胶法操作简单, 所以在复合纳米材料制备中也有广泛应用。例如, 利用该方法对磁粉进行包覆, 制备磁性介孔SiO2, 并将其用于吸附微囊藻毒素的研究[26]; 探索在吸附性、电磁波吸收和氮气吸附方面兼具优势的C/SiO2微孔纳米粉末的研究[27]; 探索能通过核壳结构增加荧光寿命的Eu3+掺杂的TiO2/SiO2材料的研究[28]; 以及通过简单的实验步骤实现多级核壳结构的Fe3O4@SiO2@mSiO2@TiO2磁性介孔光催化材料的研究[29]。该方法产物纯净, 后处理简单, 是目前制备纳米SiO2颗粒及相关复合材料最常用的方法之一。

2.1.2 反相微乳液法

反相微乳液法主要基于一种复杂的稳定多相复合体系, 该体系主要由水相、有机相、乳化剂和助乳化剂组成, 属于热力学稳定体系[30]。反相微乳液法在纳米功能材料制备中有广泛的应用, Jing等[31]研究了反相微乳液法SiO2包覆对量子点荧光的影响, 制备了荧光强度和寿命都增加的CdTe@SiO2纳米荧光材料。Arriagada等[32]研究了氨水作为催化剂时, 其浓度和用量对于产物粒径的影响。陈敏艳等[33]利用该方法制备了包覆荧光染料的SiO2微球, 再分别利用羟基封端的聚乙二醇硅烷偶联剂和羧基硅酸钠盐(CEOS)的水解, 对SiO2微球聚乙二醇化和羧基功能化, 再进行生物亲和素修饰, 得到了用于小鼠肝癌细胞检测的荧光探针。Moret等[34]根据“ 两步” 反相乳液法, 分别利用两种不同的羧基化试剂制备了羧基化荧光纳米SiO2, 并对比了pH值和介导物质对指印效果的影响。Clemente等[35]利用该方法制备了中空结构的荧光纳米SiO2, 嵌入纳米金属作为催化剂载体使用。Koź lecki等[36]对比了多种乳化剂对于微乳体系的影响, 并研究了酸碱条件下纳米SiO2的成核与生长机理, 完善了理论体系。

2.2 纳米SiO2的荧光修饰

纳米SiO2本身无色, 因此需要进行颜色或者荧光标记, 常用的荧光剂主要包括有机染料、无机和量子点材料等[37]。荧光修饰的原理主要包括物理性包埋、化学偶联作用以及静电吸附等。物理性包埋操作简单, 但染料与基体之间的作用力较弱, 产物的荧光效率较低[38]。化学偶联法主要利用染料分子中某些反应基团与基体之间的共价键, 实现染料分子与基体之间的结合, 染料不泄漏, 且荧光性能不受溶剂影响。Chen等[39]利用双功能配体与稀土离子配位的同时, 还与SiO2产生化学键合, 限制了染料游离。Fu等[40]制备的细胞pH值探针也运用了类似的原理。此外, 静电吸附作用也常常应用于纳米SiO2的荧光修饰, 此类染料的共同特点是分子结构中含有一个电荷中心, 常见的如菲啰啉联钌和三联吡啶钌[41, 42]

2.3 纳米SiO2表面改性

纳米SiO2表面存在亲水性基团, 容易吸水并发生二次聚集。通过改变材料的表面性能, 可以增加材料的稳定性, 并且赋予材料特殊的功能。表面改性的方法可分为物理法和化学法。其中, 化学改性法是最主要的改性手段, 主要包括偶联剂改性、聚合物接枝改性以及醇酯改性等。

2.3.1 偶联剂改性

用于纳米SiO2表面修饰的偶联剂主要为硅烷偶联剂, 其种类丰富, 结构中含有水解基团和功能基团, 改性条件温和。Zhu等[43]利用CEOS对TiO2@SiO2进行羧基化修饰, 再键合对六氟异丙醇苯胺用作有机磷酸酯气体检测器。Tenorio等[44]利用巯丙基三硅酸甲酯(MPTMS)制备了巯基化的介孔纳米SiO2。Roto等[45]制备了巯基修饰的Fe3O4@SiO2, 用作纳米金吸附剂, 在分散性和吸附能力上均得到增强。宋聪等[46]利用环氧修饰将脂肪酶键合在纳米颗粒上。Hatanaka等[47]对纳米SiO2表面修饰了丙烯酰氧基, 制备了相融极好的复合有机玻璃。

2.3.2 醇酯改性

醇酯改性法是指在一定条件下, 使脂肪醇和纳米SiO2表面的羟基反应, 在纳米SiO2表面键合烷基链制备疏水性材料的方法。葛奉娟等[48]研究了不同链长和反应条件对SiO2的疏水性修饰效果, 得出了最佳修饰链长和反应条件。Salim等[49]在80℃下将纳米银通过脂肪醇与纳米SiO2连接, 制备了核壳结构材料。醇酯改性法反应较为复杂, 一般应用在工业粉体改性中, 是一种成本低、通用性高的改性方法[50]

2.3.3 聚合物接枝改性

聚合物接枝改性的方法分为两大类, 一类是通过聚合物活性的端基与羟基反应, 将聚合物接枝到纳米材料表面[51]。卢康利等[52]用丙烯酸甲酯接枝到纳米SiO2 表面, 再与乙二胺反应, 生成树状聚酰胺结构。另一类是先在表面引入自由基等活性中心, 再引发单体聚合, 又称为原位聚合。Akhtar等[53]利用GMA单体在加热条件下本体集合, 对NiO/SiO2纳米材料包覆了环氧基团, 提高了材料对于刚果红的捕集和光降解效率。Spange[54]总结了阳离子聚合接枝改性的研究, 提出了引发剂形成阳离子活性中心是该方法的关键。聚合物接枝改性能够改善无机相和聚合物相之间的界面相容, 在纳米复合材料的制备中具有重要应用价值。

2.3.4 物理法改性

物理方法是将改性剂利用物理作用结合到纳米SiO2表面, 常用的物理改性材料包括表面活性剂、金属氧化物层和聚合物。Vatanparast等[55]研究了十二烷基磺酸钠对纳米SiO2的改性作用, 及其对发泡和泡沫稳定性的影响。根据氢键作用, 唐琴琼等[56]制备了草莓型纳米SiO2与聚乙烯醇的复合微球, 确定了酸碱性是影响微球形态的关键因素。张丽丽等[57]制备了聚乙烯亚胺和十六烷基溴化铵表面修饰的SiO2。物理法改性操作简单, 但改性效果不如化学法稳定, 在一定程度上限制了其在纳米SiO2改性方面的应用。

3 纳米SiO2指印显现试剂

近年来, 基于纳米SiO2材料的指印显现试剂受到广泛关注[58], 各种改性手段可以赋予纳米SiO2特殊的荧光和表面性能。

3.1 核壳结构纳米SiO2

这类材料将纳米SiO2包覆在纳米核上, 对成核材料表面改性, 在亲和性和荧光性上有独特的优势。Niu等[59]制备了表面嵌入了纳米银颗粒的CdTe@SiO2核壳结构, 产物有良好的抗菌性能, 并且由于表面嵌入纳米银引发的SPR作用, 促使材料与背景的反差更强。Wang等[60]通过两步法合成了NaYF4@SiO2纳米棒, 具有上转换荧光性能, 有效消除了背景干扰。Li等[61]制备了Fe3O4@SiO2-Au, 在刷显法和悬浮液法显现指印时均表现出比纳米金更好的效果。Wu等[62]制备了红光和绿光双发射波段荧光探针, 显现指印的同时可检测TNT含量。该结构是多功能纳米SiO2最常见的形式之一。

3.2 稀土掺杂纳米SiO2

稀土材料具有十分特殊的荧光性能, 能够应对复杂背景条件下的指印显现问题。Liu等[63]通过机械混合的方式制备了Eu3+掺杂的磁性纳米SiO2, 对铝罐、玻璃和塑料上的指印有较好的效果。Saif[64]研究了Tb3+等5种镧系元素掺杂的Y2Zr2O7/SiO2的荧光性能, 并用于光滑非渗透性客体上指印显现。El-Inany等[65]制备了Sm3+掺杂的纳米SiO2, 不仅用于多种客体上指印显现, 在氨基化修饰之后还得到检测还原糖的荧光探针。该方法集合了稀土材料的荧光性能, 是荧光纳米SiO2粉末材料中最常见的改性方法。

3.3 表面功能化纳米SiO2

通过对纳米SiO2进行表面修饰, 能够调节纳米材料与指印的亲和性。Huang等[66, 67]分别利用长链烷基和苯基进行不同比例疏水性修饰, 得到了高灵敏度的双亲性纳米SiO2。Moret等[68]利用CEOS等两种修饰剂制备了表面带有羧基的纳米SiO2, 并研究了羧基功能化的纳米SiO2与指纹残留物之间的作用机制。Andrade等[69]简化了纳米金修饰纳米SiO2颗粒的制备方法, 对比了硝酸银、纳米金和龙胆紫染色的显现效果, 并研究了其催化降解亚甲基蓝的性能。该类方法在增加材料选择性方面有独特的优势, 必将在未来指印现材料发展中扮演重要角色。

4 纳米SiO2试剂的安全性研究

纳米指印显现材料的安全性一直以来备受关注。纳米SiO2本身具有很好的生物相容性, 无“ 体外” 毒性, 在生物医学方面有广泛应用。但是, 研究表明进入体内的纳米SiO2会造成肺损伤, 能够进入细胞核引起细胞核功能紊乱, 并且具有潜在的心血管毒性, 属于体内毒性材料。对纳米材料来说, 粒径、表面活性和摄入量等因素对于安全性有重要的影响[70]。随后, 研究人员提出通过对形状的改变, 可以减轻毒性反应, 但无法完全消除[71]。目前, 减小纳米SiO2体内毒性最有效的方法是对纳米SiO2表面进行纳米金包覆和生物相容改性[72, 73]。与粉末法相比, 利用纳米SiO2悬浮液显现指印, 能有效减少纳米SiO2颗粒向环境中扩散, 在一定程度上提升纳米指印显现试剂的安全性。

5 结论与展望

尽管众多潜指印显现方法已经存在, 但目前的指印技术尚不能满足实际应用需求。高选择性、高灵敏度且能够兼顾高效性和高识别性的指印材料, 仍旧是法庭科学领域未来发展中的重要话题之一。纳米SiO2就是其中的典型代表。通过对纳米SiO2的改性, 能够得到低成本、高性能的指印显现材料。此外, 多功能纳米指印材料的出现对指印技术发展有重要意义。通过选择适当的显现方式, 能够有效减小纳米指印显现试剂的毒性。总之, 纳米SiO2材料将在未来指印显现领域占据重要地位。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。The authors have declared that no competing interests exist.

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