引用本文
彭迪, 张雨嫣. 基于电化学检测的“负像”潜手印显影技术研究进展[J].刑事技术, 2022,47(3):227-232
PENG Di, ZHANG Yuyan. Research Progress of Latent Fingerprint Development Using Negative Image Based on Electrochemical Detection[J]. Forensic Science and Technology,2022,47(3): 227-232  
Doi: 10.16467/j.1008-3650.2021.0173
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《刑事技术》编辑部
基于电化学检测的“负像”潜手印显影技术研究进展
彭迪1,2, 张雨嫣1,*
1.西南政法大学刑事侦查学院,重庆 401120
2.重庆高校刑事科学技术重点实验室,重庆 401120
* 通信作者简介：张雨嫣,女,重庆人,本科在读,研究方向为物证检验。E-mail: zyylhyy368999@163.com

第一作者简介：彭迪,男,重庆人,博士,副教授,研究方向为物证检验。E-mail: pengdi@swupl.edu.cn

收稿日期: 2021-07-05 修回日期: 2021-12-10
基金资助: 重庆市教育委员会科学技术研究计划重大项目（KJZD-M202000301）、重点项目（KJZD-K201800301）; 重庆市自然科学基金面上项目（cstc2021jcyj-msxmX0713）; 重庆市高校创新研究群体项目“证据科技创新与应用”（CXQT21033）
摘要

潜手印作为最重要的痕迹物证之一,一直是各国执法部门打击犯罪、识别人身的有力工具。近二十年来传统的手印显现与纳米技术、免疫荧光技术、生物适配体技术等新兴技术深度融合,为深入识别指纹物证的化学、生物学信息提供了可能性。电化学检测因其具有灵敏度高、可控性好、成本低廉且易于联用等优势,在物质检测和组分分析等领域有着独特的优势。近年来,法庭科学工作者逐渐重视电化学方法在潜手印显影方面的应用,相关报道日渐增多。本文通过对作用于基底物质的电化学反应相关研究的梳理和归纳,全面综述了基于电化学沉积、电致化学发光及表面等离子共振三种技术的“负像”潜手印显影方法的国内外研究进展,重点阐述了电化学方法检测潜手印的应用现状和发展前景,以期为手印的无损检测和残留物识别提供借鉴和思路。

关键词: 手印显现; 电化学检测; 负像手印; 电化学沉积; 电致化学发光; 表面等离子共振
中图分类号:DF794.1 文献标志码:A 文章编号:1008-3650(2022)03-0227-06
Research Progress of Latent Fingerprint Development Using Negative Image Based on Electrochemical Detection
PENG Di1,2, ZHANG Yuyan1,*
1. Criminal Investigation School, Southwest University of Political Science and Law
2. Chongqing Key Laboratory of Forensic Science for Higher Education, Chongqing 401120, China
Abstract

Latent fingerprint, one of the most important evidential traces at crime scenes, has always been being a powerful tool for worldwide law-enforcing departments to fight against relevant crimes and authenticate personal identity. In the past two decades, the deep integration of traditional fingerprint development with nanotechnology, immunofluorescence, biological aptamer and other emerging technologies has provided possibilities for evidential fingerprint to have its harbored chemical and biological information recognized. Electrochemical detection has shown unique advantages for analysis of material and component thanks to its high sensitivity, available controllability, low cost and convenient coalescence with other instruments. Consequently, forensic scientists have increasingly paid more attentions to the application of electrochemical detection into latent fingerprint development in recent years. Here, the research progress home and abroad was comprehensively reviewed about latent fingerprint development with negative image exposed through electrochemical deposition, electrogenerated chemiluminescence and surface plasmon spectroscopy, having placed the emphasis on the application status and prospect of electrochemical detection for latent fingerprint to be able to nondestructively detect on-site and relevant leftovers to analyze.

Key words: latent fingerprint development; electrochemical detection; negatively-imaged fingerprint; electrochemical deposition; electrogenerated chemiluminescence; surface plasma resonance

手印因其纹线形态特征的独特性和稳定性、残留物（包括内源性、外源性物质）的可识别性, 一直备受全世界法庭科学工作者的关注。然而, 当前潜手印显现技术大多建立在显影剂（粉末、化学试剂、熏显蒸汽等）[1, 2, 3, 4]与指印残留物（如湿气、无机离子、氨基酸、油脂等）相互作用的基础上, 以物理吸附、静电作用、化学反应等方式将二者结合或键合在一起, 从而产生视觉反差以显影潜在的乳突纹线痕迹。这一固有显现思路存在两点弊端：其一, 多数显影剂与指印残留物直接作用的显现方法, 会导致手印的污染和破坏, 这可能给接触DNA、各种外源性物质的提取和检测工作带来困难; 其二, 限于显现原理和操作方法, 大部分传统显现技术不适于处理污染、潮湿及粗糙客体上的手印。

理论上, 乳突纹线部位与小犁沟部位对特定电化学体系的响应存在差别, 因此利用电化学检测技术可以把电化学反应控制在背景（基底）区域, 从而产生纹线与背景的“ 负像” 显影效果（图1）。本文通过对近年来国内外报道的应用于手印显影电化学方法的梳理, 综述了电化学沉积、电致化学发光及表面等离子光谱技术在“ 负像” 手印显现方面的应用, 总结了基于电化学检测的“ 负像” 潜指纹显现技术（补充材料表S1）, 并对亟待解决的问题和该领域发展前景进行了剖析与展望。

图1 基于电化学检测的“ 负像” 潜手印显影技术原理Fig.1 Schematic for latent fingerprint development with negative image based on electrochemical deposition

1 基于电化学沉积技术的“ 负像” 潜手印显影方法

电化学沉积（electrochemical deposition）又称电沉积（electrodeposition）, 是利用外电场产生的电流使电解质溶液中的正负离子产生迁移, 从而在电极上发生氧化还原反应生成镀层的过程。电沉积是一种历史悠久且工艺成熟的材料表面处理技术, 目前多数基于电沉积的潜手印显现技术都是按照指纹显影的特殊要求, 在成熟的电化学体系基础上稍作改进而建立的。其显现原理为：乳突纹线部位由于油脂等有机物的存在, 多表现为电化学惰性, 因此, 手印纹线可以抑制电沉积反应, 而电解质在阴极被还原得到不同性质的材料薄膜, 从而与纹线产生视觉反差而形成“ 负像” 的指纹图案。依据电化学反应所形成的薄膜物质种类, 可把基于电沉积技术的潜手印显影技术分为三类：金属薄膜、电致变色薄膜和其他类。

1.1 电沉积金属薄膜的潜手印显现技术

基于金属沉积的潜手印显影方法以多金属沉积法（multi metal deposition, MMD）、单金属沉积法（single metal deposition, SMD）为代表, 在法庭科学领域早有报道[5, 6]。然而, 这两种方法成本高, 操作复杂, 且沉积时间过长, 其应用价值不高, 后续研究并不多见。基于电沉积金属薄膜的潜手印显现技术在成本、操作简便性和反应时间等方面均有优势, 有望替代MMD和SMD在指纹领域的应用[7, 8, 9, 10]。

2013年, Qin等[7]首先验证了水电解质中电沉积金或银纳米颗粒在氧化铟锡（ITO）、金、铂和不锈钢四种客体上的手印显影效果, 并获得了高对比、高灵敏的指纹图像。这种方法在水中进行, 可以用于处理潮湿客体上的手印。然而, 由于采用了HAuCl4或AgNO3作为电解液, 该方法的成本依然较高。此外, 由于体系中加入了强电解质硫酸, 可能会腐蚀一些较有活性的金属材料。随后Zhang等[8]将更廉价的铜离子作为电解质, 系统研究了铜的浓度、沉积电位和沉积时间对显影效果的影响。在优化条件下（电压-0.18 V, 沉积时间4 min, 电解质浓度10 mmol/L CuSO4）, 能显出粗糙、较脏客体上手印的二级特征。遗憾的是, 该两种方法所使用的电解液当中均含有硫酸, 这导致了留痕客体选择的局限性。

基于降低成本和改善方法适用性的考虑, Zhang等[9, 10]先后开发了两种基于共沉积溶剂体系（AgO-CuO体系和ZnO-CuO体系）的电化学显现技术, 并用ITO和各种金属基底（铝板、铜板、镁板、锌板、不锈钢板和三种硬币）考察了该体系对不同留痕人、不同遗留时间指纹的显影效果。结果表明, 共沉积形成的AgO-CuO或ZnO-CuO薄膜形成的负像手印对比度均高于单一金属的沉积效果, 且能够显现留痕1周的潜手印。

1.2 电沉积电致变色薄膜的潜手印显现技术

电致变色（electrochromism）是指某些材料由于具有特定的光学属性（反射、透过、吸收等）, 因而能在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化的现象。电致变色材料作为当前最具前景的智能材料之一, 已被广泛应用于军事伪装、摄像器材、变色玻璃、安全防伪及分析传感等领域。

目前报道用于潜手印显现的有机电致变色材料主要有聚吡咯、聚苯胺、聚乙撑二氧噻吩等[11, 12, 13, 14, 15, 16]。Bersellini等[11]首次将聚吡咯电化学沉积到金属表面, 通过电致变色效应实现了潜手印的负像显影。而后, 英格兰Leicester大学Hillmand课题组[12, 13, 14]较系统地研究了多种聚合物电沉积变色体系在潜手印显影中的应用, 结果显示, 吡咯-乙撑二氧噻吩的共聚体系相对于单一聚合物展示出更好的显色效果, 并且对高温、浸水及老化等各种恶劣环境下金属表面的手印具有良好的适用性。

在无机电致变色材料方面, 普鲁士蓝最早被开发指纹显影的价值[17, 18, 19]。2013年, Qin等[17]以铂箔为对电极, Ag/AgCl为参比电极, 通过循环伏安法将普鲁士蓝膜镀于ITO和不锈钢上, 成功得到高分辨的蓝底负像指纹。近来, Yuan等[20]提出了恒电流电沉积具有电致变色特性的Co3O4薄膜的显影方法, 他们借助光学显微镜、原子力显微镜等仪器以及RGB分色定量评价手段证明了该方法检测指纹的高灵敏和高对比度。法医DNA检测表明, 在电化学显影处理后, 指纹物质仍可进行DNA分型, 基因座检出率高达80.9%, 表明该体系具有较好的生物兼容性。

1.3 电沉积其他材料的潜手印显现技术

Zhang等[21]利用石墨烯在电化学沉积反应中的过程可控性和高选择性, 在Na2HPO4缓冲液中实现了电化学惰性的ITO、铝板、不锈钢板以及较活泼的镁板、镀锌板上手印的高灵敏显现。该方法没有使用强酸、强碱作电解液, 也无需贵金属作沉积物, 是一种低成本、简单快速、绿色环保的电沉积指纹显影技术, 为更多清洁材料的应用提供了宝贵的参考。

2019年, Zhang等[22]利用H3BO3和Ni2+的协同效应, 有效地抑制了电解液中磷光粉的水解, 同时通过添加阳离子表面活性剂改善电镀膜量（镀层厚度）, 最终实现了铜箔上潜手印的“ 负像” 指纹成像。这种共沉积的Ni/磷光粉复合物薄膜保留了商用铝酸盐磷光粉的长余辉发光特性, 为多彩背景客体上潜手印的显现提供了新的解决方案。

2 基于电致化学发光技术的“ 负像” 潜手印显影方法

电致化学发光（electrogenerated chemiluminescence, ECL）是指发光物质在电极表面经电化学和化学反应后, 形成高能的激发态, 再经过弛豫后产生光的过程。ECL本质仍是化学发光, 具备传统化学发光灵敏度高、线性范围宽的优势, 又兼有电化学方法设备简单、易于调控等特点, 目前已被广泛应用于生物、医药、环境、临床等领域。与电沉积技术显影潜手印类似, 乳突纹线中的脂肪酸、皮脂、三十碳六烯等有机物为电化学惰性物质, 它们通过抑制电化学反应的电子转移而阻止某些电化学发光产物的生成, 最终得到“ 负像” 手印图像。近年来, 已有三联吡啶钌、鲁米诺等发光剂成功应用于ECL的“ 负像” 潜手印检测[23, 24, 25, 26, 27]。

2.1 基于Ru(bpy)32+的潜手印显现技术

2012年, Xu等[23]首次验证了Ru(bpy)32+/TPrA电致化学发光体系在ITO上的指纹显影功能。他们发现, 在施加+1.13 V恒压电流, 发光剂Ru(bpy)32+和共反应剂TPrA浓度分别为0.5、50.0 mmol/L的优化条件下, “ 负像” 手印能持续发光约40 s。这一方法对遗留时间长达7个月的富脂手印均有较好的显影表现, 是一种简单、快速、无损、安全且高灵敏度的显影方法。随后, 他们又把该方法扩展到不锈钢、电脑显示屏、光盘、橱柜、硬币等客体上, 均取得了类似的显现效果。

为了提高ECL潜手印显影装置的便携性, Li等[25]尝试以智能手机USB接口提供能源, 利用三硝基甲苯（TNT）等爆炸物可淬灭电化学发光信号的特性, 利用经典的Ru(bpy)32+/TPrA体系实现了指纹残留物中TNT成分的显影, 成功得到了手印的“ 负像” 痕迹。此外, 该方法还可结合智能手机自带RGB、灰度及二进制等多模分析手段, 有望在指纹解锁的同时实现初步的疾病诊断、公共安全测试等扩展性识别功能, 这一有趣尝试将为指纹的多维度应用开辟新的发展方向。

2.2 基于鲁米诺的潜手印显现技术

2012年, Xu等[23]同时证明了Ru(bpy)32+/TPrA、鲁米诺/双氧水两种ECL体系在显现潜手印方面的独特优势。2014年, 他们又以鲁米诺/H2O2（或K2S2O8）为电致化学发光体系, 进一步发展了ECL显现金属基底潜手印的技术[26]。研究通过施加0.8 V恒电位, 使电极表面的鲁米诺发生电化学氧化, 在H2O2或K2S2O8的存在下进一步氧化产生激发态的3-氨基邻苯二甲酸盐, 随后激发态3-氨基邻苯二甲酸盐回到基态可产生最大波长为425 nm的荧光。作者指出这一方法对指纹破坏性小, 并且不会影响后续的DNA分析。

2020年, Hu等[27]利用电聚合技术在ITO基底的小犁沟区域沉积鲁米诺薄膜, 以此固定鲁米诺发光分子, 得到了清晰的“ 负像” 指纹图形。而且, 这一方法没有采用有毒害的试剂, 电解液体系为水, 是一种对操作者友好的指纹显现技术。

2.3 其他ECL的潜手印显现技术

除了经典的三联吡啶钌、鲁米诺等电化学发光剂, 目前红荧烯（RUB）、多孔硅（pSi）也有报道用于“ 负像” 潜手印的显现。

Li等[28]率先建立了RUB为发光剂、TPrA为共反应剂的电化学体系, 以负像模式在工作电极ITO及不锈钢表面获得了油脂手印的高灵敏显现, 其ECL原理符合典型的共反应剂机制, 具体如下：

RUB(substrate)-e→ RUB• +(substrate) （1）

TPrA(substrate)-e→ TPrA• +(substrate)→ TPrA• (substrate)+H+ （2）

RUB• +(substrate)+TPrA• (substrate)→ RUB* (substrate)+products(substrate) （3）

RUB* (substrate)→ RUB(substrate)+hv （4）

这种基底表面不同区域电化学活性的差别, 可以实现基于空间选择性的高灵敏识别, 拓宽了ECL潜手印成像技术的应用范围。

2014年, Tan等[29]发现TNT的强吸电子能力是淬灭pSi发光的关键因素。在此基础上, 他们比较了附着有TNT和没有TNT的两种潜手印在pSi电极上的显影效果。结果表明, 有TNT的指纹呈现“ 负像” , 未附着TNT的指纹呈现“ 正像” 。由于不需要共反应剂的参与, 这是一种成本较低、操作简单的指纹显影方法, 有望推广到化学传感、生物组织的分子识别等领域。

3 基于表面等离子体共振的电化学“ 负像” 潜手印显影方法

众所周知, 表面等离子体共振（surface plasmon resonance, SPR）是一种光物理现象, 即当入射光达到某一个角度时, 光子的能量会被金属吸收转化成表面等离子体波, 同时金属介质中传输振幅呈指数衰减的倏逝波, 当二者发生共振时, 在这个角度(共振角)的光线不会被反射出来。当金属表面附着物的属性或附着量改变时, 共振角将不同。因此, 可以通过SPR谱(共振角随时间变化)来反映与金属膜表面接触的物质变化[30, 31, 32]。

除电化学沉积和电致化学发光技术外, Shan等[33]巧妙地将电化学反应和金属基底SPR检测技术结合, 他们以Ru(NH3)63+为电解质, 通过实时监测纳米金修饰的玻璃电极上电化学反应的SPR信号的微小变化, 实现了“ 负像” 指纹和痕量TNT（0.5 ng）的同时成像。其显现原理仍然是指纹物质中的汗渍、油脂或TNT等外源性成分会抑制电化学反应过程, 这会引起纹线与背景的SPR信号相应不同, 从而获得显影效果。为了证明这种耦合技术的高选择性, 实验中还用蜡烛颗粒作为干扰物质与TNT一起掺杂入指纹中, 结果显示在电化学电流的SPR成像模式中, TNT的检测信号远高于蜡烛颗粒。不同于传统电化学方法仅能检测总电流的变化, 这种基于局部电流密度SPR信号的实时监测方法展现出超高的灵敏度和选择性, 有望成为痕量分析领域的全新选择。

4 总结与展望

传统潜手印显现方法, 包括普通粉末、磁性粉、荧光粉、各类熏显法、化学试剂法、小颗粒悬浮液法等均是基于显现试剂与手印物质之间的相互作用而建立的, 该类方法以色泽加深、变色或发光等方式提高乳突纹线的信号, 从而获得视觉反差达到显影效果, 可归类为“ 正像” 的指纹显影模式。本文总结了近年来基于基底作用的电化学潜手印显影方法, 相对于“ 正像” 指纹显影方法, 这种“ 负像” 显影模式从理论上可完全保持指纹中DNA等遗传信息、化学信息的完整性。此外, 电化学检测特有的高灵敏度、高可控性、低成本和易于联用等优势, 赋予“ 负像” 指纹显影技术强大的成分检测能力, 有利于指纹的分泌物、代谢物及外源性物质的检验鉴定。未来, 基于电化学检测的“ 负像” 手印显现技术要进一步推广应用, 尚需解决以下几个问题：

1）目前电化学方法通常只能处理金属等导电客体表面的手印, 未来能否将适用范围扩大到非导体基底, 是决定电化学方法能否进一步推广的关键。

2）基于电致化学发光技术的显影方法, 需解决部分发光体系发光随时间衰减过快的问题; 同时一些较高成本电极材料和有毒有害的电解质, 也减低了本方法的实用价值。

3）虽然现有部分研究表明, 电化学检测能与接触DNA检测兼容, 但仍有必要进一步开展本技术的生物兼容性、化学兼容性的理论和实验研究, 全面评估相关电化学体系的毒害性。

4）现有的电化学检测指纹技术, 多数仍局限于形态特征检验, 后期应大力发挥电化学检测易于联用的优势, 结合各类化学分析、仪器分析技术, 建立更有效的指纹信息多维诊断方法, 为案件侦破提供更多线索。

综上所述, 基于电化学检测的“ 负像” 手印显现技术近年来发展迅猛, 随着研究的不断深入和技术的逐渐完善, 相信这一新兴技术在刑事侦查和物证鉴定领域有着广阔的应用前景。

补充材料

与本文相关的补充数据见：http://www.xsjs-cifs.com/CN/abstract/abstract6935.shtml。

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