硫酸亚铁（FeSO₄・ 7H₂O)、氢氧化钠（NaOH）（中国医药上海化学试剂公司）; 硝酸银（AgNO₃）（上海申博化工有限公司）; 谷胱甘肽（Glutathione, GSH）（SIGMA-ALORICH 化学试剂公司）; 硝酸钾（KNO₃）（重庆博艺化学试剂有限公司）; 聚乙烯亚胺（PEI）（重庆川东化工公司）; 超纯水。

TECNAT10透射电子显微镜（荷兰PHILIPS公司）; ZetaPALS（美国Brookhaven公司）; VECTOR22傅里叶变换红外光谱仪(德国布鲁克公司); RF-5301PC荧光光谱仪（日本岛津公司）; X-射线衍射仪（Ultima IV, 荷兰帕纳科公司）; 超导量子干涉磁量仪（HH-15 VSM, 南京大学仪器有限公司）; 超景深显微镜（VHX-1000C, 日本基恩士公司）。

1.2.1 超声-加热循环法GSH-AgNCs的合成与优化

参照 Wang等^[15]的实验过程, 使用超声-加热循环的新方法制备以GSH为模板的GSH-AgNCs。并且采用控制变量的方法分别对反应物浓度、制备条件（滴加顺序、加热时间及超声时间）进行优化。将制得的GSH-AgNCs 以及优化实验所制备的GSH-AgNCs通过TECNAT10透射电子显微镜表征; 分别对GSH溶液、AgNCs 进行紫外光谱扫描; 通过配有20 kW氛灯作光源的RF-5301PC型荧光光谱仪采集荧光光谱。经过观察分析得出最优的GSH-AgNCs, 以备后续实验使用。

1.2.2 PEI-Fe₃O₄磁性纳米粒子的绿色合成与优化

采用微波加热的方法绿色制备PEI-Fe₃O₄磁性纳米粒子, 并且采用控制变量的方法分别对反应物浓度及制备条件（滴加顺序、加热时间、超声时间）进行优化。将制得的PEI-Fe₃O₄磁性纳米粒子以及优化实验所制备的PEI-Fe₃O₄磁性纳米粒子通过X-RD衍射仪、透射电镜表征, 经过分析得出最优的PEI-Fe₃O₄磁性纳米粒子, 以备后续实验使用。

1.2.3 GSH-AgNCs@PEI-Fe₃O₄复合材料的制备

采用自组装-绿色超声的方法, 将一定量的最优GSH-AgNCs 水溶液和最优PEI-Fe₃O₄磁性纳米粒子溶液, 进行一“ 锅” 合成, 并在室温下连续超声处理24 h得到GSH-AgNCs@PEI-Fe₃O₄复合材料。

1.2.4 GSH-AgNCs@PEI-Fe₃O₄复合材料的表征

通过透射电镜观察各溶液微粒状态; 用文检分析仪初步判断出GSH-AgNCs@PEI-Fe₃O₄的荧光性质; 用电位及粒度分析仪测定GSH-AgNCs@PEI-Fe₃O₄复合物的粒径; 对复合物红外光谱扫描, 对其表面特殊键位进行分析; 取样品进行稀释, 通过荧光光谱仪采集荧光光谱, 扫描范围300~800 nm, 入射和出射狭缝均为15 nm; 通过X-RD衍射仪分析复合物的结构, 对其晶面进行分析。

1.2.5 潜指印的制作与显现

制作指印样本, 并于自然条件下存放。用磁性毛刷吸取适量GSH-AgNCs@PEI-Fe₃O₄粉末, 沿潜指印乳突纹线顺时针刷显。将不同状态下的潜指印刷显后进行拍照固定。用Photoshop图像处理软件对照片采用“ 曲线” 等命令增强处理, 使得图片中荧光指印纹线更加清晰可辨, 更加利于识别鉴定。

GSH的羧基（―COOH）及巯基（―SH）在水溶液中对Ag离子有较强的络合能力, 形成一种超分子水凝胶, 经过NaOH溶液对pH的调节, 获得无色透明溶液^[16]。并且巯基(―SH）活泼, 易被氧化脱氢, 因此具有较强的还原性。故以GSH为模板, 使其作为保护剂和还原剂, 在Ag离子的还原过程中合成银纳米簇（GSH-AgNCs）。所制备的银纳米簇具有非金属性, 带负电荷。PEI修饰后的磁性Fe₃O₄纳米粒子（PEI-Fe₃O₄）表面氨基化, 带正电荷。在超声加热的控制下, 通过静电吸附以及特殊基团间的作用将银纳米簇和磁性Fe₃O₄纳米粒子进行合成, 形成同时具备荧光性和超顺磁性, 以及具有可与其他配体等物质（如汗潜指印中氨基酸等成分）结合位点的多功能复合材料。

2.2.1 GSH-AgNCs@PEI-Fe₃O₄的粒径及形貌特征

经过粒径分析仪检测, 合成的复合物颗粒数目多, 其平均粒径为141.2 nm, 粒径大小主要分布集中在140~142 nm。经过透射电镜观察, 复合物在溶液中分布均匀, 颗粒大小均衡, 呈球状, 表面有明显的包覆结构（图1）。根据复合物制备原理可知, 在静电吸附的作用下, 带负电的小尺寸球形纳米簇在带正电的大尺寸球形磁性纳米粒子表面形成不完全紧密的包覆层, 使得复合物呈核壳包覆结构且复合体整体仍有部分正电, 从而相互间排斥, 使得整个体系分散均匀。因此可知, 实验制备的复合具有尺寸小, 呈包覆结构, 分布均衡的特点, 符合制备原理。

图1

Fig.1

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	图1 GSH-AgNCs@PEI-Fe3O4的透射电镜图Fig.1 Micrograph of GSH-AgNCs@PEI-Fe3O4 from transmission electronic microscope

2.2.2 GSH-AgNCs@PEI-Fe₃O₄的红外光谱图

实验测得GSH-AgNCs@PEI-Fe₃O₄红外光谱图中显示出：一方面, 578 cm^-1为Fe₃O₄的Fe-O特征吸收峰, 证明了复合物中磁性纳米粒子的存在; 1631 cm^-1和3433 cm^-1为羟基（―OH）的弯曲振动吸收峰和伸缩振动吸收峰; 1632 cm^-1和3446 cm^-1为N―H的弯曲振动吸收峰和伸缩振动吸收峰, 与PEI中的氨基相对应。上述峰的存在证明了PEI-Fe₃O₄的成功合成。另一方面, 1676 cm^-1为羰基的吸收振动峰（C=O）; 3300 cm^-1左右为羧基（―COOH）的伸缩振动峰; 3200 cm^-1左右为氨基的伸缩振动峰。说明了复合物表面有多种功能基团, 可知其由GSH提供。同时2528 cm^-1的巯基特征峰不明显, 其验证了GSH-AgNCs的合成原理。因此, 由上可知以自组装的方式成功合成了复合物, 其中图谱中存在着其他特征峰的变化以及消失, 推测是因为在合成过程中两个物质的相互作用形成的。

2.2.3 GSH-AgNCs@PEI-Fe₃O₄荧光发射光谱

实验测得复合物的荧光发射光谱表明, 在激发波长为365 nm时, GSH-AgNCs最大发射峰出现在510 nm, GSH-AgNCs@PEI-Fe₃O₄的最大发射峰出现在560 nm, 相比之下后者红移了50 nm。这是由于复合物的激发态形成后, 其构型很快进行进一步的调整, 以达到激发态的稳定构型, 损失了部分能量, 从而产生斯托克位移。在包覆结壳层中, 磁性纳米颗粒与量子点之间可能由于距离过于紧密发生电子能的转移, 而导致量子点发生荧光淬灭。类似地, 由于紧密的距离, 金属纳米簇也可能发生荧光淬灭的现象, 而自组装后的复合物的荧光出现了强烈的增强现象。有文献指出, 金属纳米簇的荧光可能由两个因素决定, 一是金属纳米簇的尺寸, 二是金属纳米簇表面的配基与金属核的相互作用^[12]。推测本文中实验可能与第二个因素相关。从合成原理可知, 一方面, PEI功能化的磁性纳米粒子表面氨基化, 提供了丰富的荧光助色团（―NH₂和―OH）。另一方面, GSH在GSH-AgNCs的制备过程中提供了大量的羧基（―COOH）和氨基（―NH₂）, 而其中的荧光消色团(―COOH)在纳米簇的合成过程中和Ag进行蛰合, 形成一个连接体。因此复合物中荧光助色团（―NH2）大量存在, 荧光消色团（―COOH）减少。这正好和红外光谱图检测的峰的种类以及强度相对应。发射峰的红移以及荧光增强现象, 正好有利地证明了复合物的成功合成。以罗丹明B的乙醇溶液为标准参考物测定pH=7环境下合成的GSH-AgNCs@PEI-Fe₃O₄核壳微球的荧光量子产率。荧光量子产率计算公式：yu=ys× （fu/fs）× （as/au）, 其中, yu、ys分别为GSH-AgNCs@PEI-Fe₃O₄和罗丹明B的乙醇溶液的荧光量子产率; fu、fs分别为GSH-AgNCs@PEI-Fe₃O₄和罗丹明B的乙醇溶液的积分荧光强度; au与as分别为GSH-AgNCs@PEI-Fe₃O₄和罗丹明B的乙醇溶液在该激发波长（365 nm）下的入射光的吸光度。经计算, GSH-AgNCs@PEI-Fe₃O₄荧光量子产率为7.831%（如表1所示）。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 GSH-AgNCs@PEI-Fe3O4荧光量子产率数据表 Table 1 Fluorescent quantum yield from GSH-AgNCs@PEI-Fe3O4 溶液 激发波长/nm as au fs fu ys/% yu/% GSH-AgNCs@ PEI-Fe3O4 365 0.001 0.026 39533.530 37459.220 8.900 7.831

表1 GSH-AgNCs@PEI-Fe3O4荧光量子产率数据表 Table 1 Fluorescent quantum yield from GSH-AgNCs@PEI-Fe3O4

2.2.4 GSH-AgNCs@PEI-Fe₃O₄的磁性表征

用磁性刷对制成的GSH-AgNCs@PEI-Fe₃O₄黑色粉末进行吸附, 可见磁性刷上吸附的粉末量大且吸附牢固, 与普通的磁性粉末相比, 无明显的可见差异。由GSH-AgNCs@PEI-Fe₃O₄的磁性表征图（图2）可知, PEI-Fe₃O₄和GSH-AgNCs@PEI-Fe₃O₄的饱和磁化强度分别为59.5 emu/g和23.6 emu/g。相比于已报道的磁性荧光双功能材料, 如Li等^[17]报道的饱和磁强度为0.4 emu/g的Fe₃O₄@SiO2-Au, GSH-AgNCs@PEI-Fe₃O₄磁性较好。将GSH-AgNCs@PEI-Fe₃O₄与PEI-Fe₃O₄相比, 前者的饱和磁化强度有所下降, 是由于GSH-AgNCs和PEI-Fe₃O₄在静电吸附作用下结合, 使得磁性纳米粒子的表面积和粒径发生变化^[18], 从而改变磁化强度。

图2

Fig.2

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	图2 磁性表征示意图Fig.2 Magnetic characterization

2.2.5 GSH-AgNCs@PEI-Fe₃O₄合成前后XRD衍射图谱

从实验测得复合物的XRD衍射图谱可知, 2θ =34.9、43.1、53.3、57.0、62.2出现了5个衍射峰, 与标准的Fe₃O₄衍射图谱相比, 分别对应了311、400、422、511、440晶面。而Fe₃O₄在2θ =30.6的211晶面未能对应, 与此同时, 图谱在2θ =22.5出现了较强的衍射峰, 推测可能是在复合物的形成过程中受物质之间作用力产生峰的前移; 在2θ =33.5出现了较强的衍射峰, 可以看出其距离311和400晶面的峰近, 并且形成了一定宽度的强度不等的峰, 可能是由于磁性纳米粒子和纳米簇的结合引起了该两个晶面局部的变化。因此, 虽然复合物相比磁性纳米粒子在结构上有局部微小的变化, 但是其处于正常合理范围, 也从侧面反映了纳米簇和磁性纳米粒子发生了特定的结合, 复合材料并没有改变磁性纳米粒子的大体结构。并且, 该图谱的峰型整体呈现出下滑趋势, 衍射峰的强度不高, 峰形较宽, 可能是因为合成的复合物粒径小不稳定而呈现出来的无定形态。

2.3.1 不同客体上潜指印的显现

2.3.1.1 常见实验客体上潜指印的显现

该复合物在玻璃、木质桌面、A4纸张及透明亮片上均能较好显现潜指印（图3）。指印纹线反映清晰完整、细节特征明显; 指印表面粉末分布均匀, 无明显的粉末堆积现象; 在多波段光源的照射下, 黄色荧光明亮均匀, 与背景形成强烈的反差。其中, 在玻璃片上的指印, 由于玻璃片放置在黑色桌面, 在深色客体的影响下, 使得拍摄的指印颜色呈深黄色, 泛红。在木质桌面上的指印荧光出现了局部颜色加深的情况, 观察木质客体表面可知, 是由于木质客体的表面颜色分布不均匀, 颜色深浅不一, 从而对指印的显现造成了影响, 但深色区仍然可以清晰辨别纹线的条数、走向、细节特征等; 在透明塑料片上, 由于透明度的影响, 指印显现颜色整体较浅淡, 出现了明显的反光点, 但指印完整, 荧光明亮, 故仍可进行指印的分析。A4纸张上的显现效果相对较好。

图3

Fig.3

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	图3 GSH-AgNCs@PEI-Fe3O4复合物对常见实验客体上潜指印的显现（a:玻璃; b:木质桌面; c:A4纸张; d:透明塑料片）Fig.3 GSH-AgNCs@PEI-Fe3O4 nanomaterial developing the latent fingermarks on common experimental objects (a. glass; b. wooden desktop; c. A4 paper; d. transparent plastic sheet)

2.3.1.2 常见生活客体上潜指印的显现

该复合物在电脑鼠标、绿色塑料凳、电器铁皮、手机透明硅胶壳及门锁上均能较好地显现潜指印（图4）。指印纹线反映清晰完整、细节特征明显; 在多波段光源的照射下, 黄色荧光明亮均匀, 与背景形成强烈的反差。其中, 由于鼠标表面为凸起状, 会对显现后拍照造成一定的影响。并且在指印刷显过程中, 容易出现粉末中间多四周少的情况。因此, 在电脑鼠标上的指印中间部分的荧光明显强于四周, 具有明显的层次感。手机透明硅胶外壳潜指印的显现出现了部分粉末堆积的情况, 并且显现的指印周边也有明显的片状荧光。结合实际中透明硅胶外壳容易遗留下指印和吸附灰尘的情况, 可以推测该客体自身对于粉末类以及汗液等有较强的吸附力。因此, 小颗粒、质量轻的复合物粉末容易被客体以及其上的汗液成分吸附, 导致部分纹线出现粉末堆积。由于蓝色的办公桌面为凹凸不平的磨砂状, 故可见显现出的指印纹线并不完整, 只有少数的指尖花纹区被显现, 中心花纹没有显现。但整体所反映出的指印轮廓、大小, 以及指尖纹线的走向, 可以推断出该指印为右手大拇指所留, 在实际运用中, 可以为侦查人员分析犯罪过程提供线索, 具有一定的现实意义。

图4

Fig.4

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	图4 GSH-AgNCs@PEI-Fe3O4复合物对常见生活客体上潜指印的显现（a:电脑鼠标; b:绿色塑料凳; c:蓝色商务办公桌面; d:锡铁皮; e:手机透明硅胶壳; f:门锁）Fig.4 GSH-AgNCs@PEI-Fe3O4 nanomaterial unveiling the latent fingermarks on common daily objects (a. computer mouse; b. green plastic stool; c. blue business desk; d. tin; e. mobile phone’ s transparent silica shell; f. door’ s lock）

2.3.2 不同遗留时间的潜指印的显现

为了检测汗潜指印遗留时间对该复合物显现指印的稳定性的影响, 分别显现在A4纸上遗留时间为0.5、1、3、7、10 d的汗潜指印, 随着遗留时间的增加, 其显现效果呈下降趋势, 指印轮廓模糊的部分呈增加趋势（图5）。新鲜指印效果最佳, 小于7 d的汗潜指印显现较好, 指印反映清晰完整; 遗留7 d的指印显现良好, 指印反映完整, 局部纹线不清晰; 大于7 d的汗潜指印未能反映完整的指印轮廓及纹线, 且多为糊状。可知显现出的指印多为疑难指印, 但部分可根据细节特征的局部关系进行同一认定。显现效果下降的原因可能是因为遗留时间过长导致汗潜指印中的氨基酸等成分失活而不能很好地发生配位作用。

图5

Fig.5

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	图5 GSH-AgNCs@PEI-Fe3O4复合物对不同遗留时间潜指印的显现（a:0.5d; b:1d; c:3d; d:7d; e:10d）Fig.5 GSH-AgNCs@PEI-Fe3O4 nanomaterial revealing the latent fingermarks deposited for different time (a. half a day; b. 1 day; c. 3 days; d. 7 days; e.10 days)

2.3.3 与黑色磁性粉末在纸张上的显现效果的比较

分别用黑色磁性粉末和复合物粉末显现A4纸张和光滑笔记本纸张上的汗潜指印。如图6所示, 两种粉末均能完整清晰地反映两种纸张上的指印纹线。黑色磁性粉末刷显的指印颜色深, 粗大明显, 部分纹线犁沟处粉末堆积呈糊状, 尤其是在A4纸张上表现明显。复合物粉末刷显的指印颜色相对黑色磁性粉末浅, 纹线细腻, 较少有糊状, 乳突纹线部分和犁沟部分分隔明显。可能是由于复合物为磁性纳米粒子和纳米簇的结合物, 其粒子尺寸仍然处于较小的水平, 因此其在表现优良磁性的同时, 粉末细腻, 显现指印清晰。而黑色磁性粉末的颗粒相对较大, 因此受纸张的光滑程度影响较大。故在和传统磁性粉末的比较中, 该复合物具有明显优势。

图6

Fig.6

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	图6 GSH-AgNCs@PEI-Fe3O4复合物对光滑纸张（a）和A4纸张（b）潜指印的显现; 黑色磁性粉末对光滑纸张（c）和A4纸张（d）潜指印的显现Fig.6 GSH-AgNCs@PEI-Fe3O4/black magnetic powder exposing the latent fingerprints on smooth paper (a) and A4 paper (b)

2.3.4 与荧光粉末在纸张上的显现效果的比较

分别用荧光粉末和复合物粉末显现A4纸张上的汗潜指印。如图7所示, 使用荧光粉末显现的指印纹线粗大, 部分梨沟部位会因粉末填充而模糊该区域的指印纹线, 其荧光强度极大, 形成局部过亮而模糊纹线。复合物粉末显现的纹线粗细相对均匀, 梨沟部分较少有粉末, 其荧光强度较大, 能清晰分辨纹线的各个细节特征。一方面可能是由于粉末大小的差距, 使得显现效果不同。另一方面, 可能和粉末自身的结构相关, 复合物粉末具有一定的磁性, 且其结构实为包覆结构, 因此具有一定的分散性, 不容易形成片状团聚。故在和传统荧光粉末的比较中, 该复合物具有明显优势。

图7

Fig.7

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	图7 绿色荧光磁性粉末（a）和GSH-AgNCs@PEI-Fe3O4复合物（b）对A4纸张上潜指印的显现Fig.7 A4-paper-carried fingerprints revealed with green fluorescent magnetic powder (a)/GSH-AgNCs@PEI-Fe3O4nanomaterial (b)