LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末的合成及其在指纹无损显现中的应用

王 猛

中国刑事警察学院痕迹检验技术系，痕迹检验鉴定技术公安部重点实验室，辽宁 沈阳 110035

LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末的合成及其在指纹无损显现中的应用

王 猛

中国刑事警察学院痕迹检验技术系，痕迹检验鉴定技术公安部重点实验室，辽宁 沈阳 110035

采用溶剂热法在水和乙二醇的混合溶剂中合成出了高质量的LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末。然后通过透射电子显微镜(TEM)、粉末X射线衍射(XRD)、荧光光谱(FS)等表征手段分别对稀土纳米荧光粉末的微观形貌、晶体类型、荧光性能进行了表征，合成纳米荧光粉末的形貌为单分散的纳米棒，平均长度为700 nm、平均直径为20 nm，其晶体结构为单斜LaPO4晶型，并且在254 nm紫外光照射下能够产生较强的绿色荧光。最后将合成的纳米荧光粉末应用于光滑客体表面汗潜指纹的无损显现中，并详细考察了指纹显现的对比度、灵敏度、选择性、背景干扰等指标。实验结果表明，使用LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末显现的指纹在254 nm紫外光的激发下能够产生明亮的绿色荧光，指纹乳突纹线部位连贯清晰、细微特征反映明显，指纹与客体之间的对比反差强烈、客体产生的背景干扰较小，因此该显现方法具有较高的对比度、灵敏度和选择性。本显现方法具有操作方法简单、显现效果优良、适用范围广泛等优点。本研究的重要创新之处在于，经LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末显现后的指纹还可以进行后续的DNA提取及检测，这是传统的指纹显现粉末所不能及的。本研究为指纹物证和生物物证这两大物证的同时利用提供了有益参考。

指纹显现； 无损显现； 纳米材料； 荧光； DNA

引 言

作为一种传统的技术，指纹显现技术在物证技术领域一直发挥着举足轻重的作用。近些年来，随着纳米技术向刑事技术领域的渗透，先进的纳米荧光材料已经逐渐被应用到潜在指纹的显现技术中[1-5]。与传统的指纹显现试剂相比，使用纳米荧光材料显现指纹能够有效提高指纹显现的对比度[6]、灵敏度[7]和选择性[8]。作为一种崭新的技术，DNA技术的迅速发展正在为物证技术领域带来一场重要的革命。目前，DNA检测技术已成为全球公认的对生物物证进行个体识别及亲缘关系判断最为有效的技术方法。如果把指纹物证和生物物证相结合，在实现指纹高质量显现的同时，进行指纹的DNA提取与检测，势必会在很大程度上提高物证的提取率和利用率。但是，指纹显现与指纹的DNA提取与检测通常是相互制约、相互影响的：一方面，如果先进行指纹显现，显现试剂会在不同程度上对指纹的DNA提取造成污染，甚至导致指纹的DNA检测失败； 另一方面，如果先进行指纹DNA的提取与检测，必然会破坏指纹，最终导致指纹显现的失败。鉴于此，提出一种对指纹的DNA提取与检测无影响的无损显现新技术具有重要的理论研究意义和实践应用价值。

本研究采用溶剂热法合成出性能优良的LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光材料，并将其应用到指纹的无损DNA显现技术中，在保证高对比度、高灵敏度、高选择性显现指纹的同时，实现对指纹的DNA提取与检测。

1 实验部分

1.1 试剂

氧化镧(99.99%)、氧化铽(99.99%)、六水合硝酸亚铈(99.99%)、十二水合磷酸钠(分析纯)、乙二醇(分析纯)、无水乙醇(分析纯)、浓硝酸(优级纯)、氢氧化钠(分析纯)。

1.2 LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末的合成

向0.977 5 g(3.00×10-3mol)氧化镧与0.280 4 g(3.75×10-4mol)氧化铽的混合物中加入足量浓硝酸，加热使氧化物溶解，形成透明溶液，继续加热蒸发，得到白色稀土硝酸盐固体。向硝酸盐中加入1.082 5 g(2.50×10-3mmol)硝酸亚铈，并用50 mL水和200 mL乙二醇的混合溶剂将稀土硝酸盐溶解，形成稀土硝酸盐溶液。用100 mL水将3.801 2 g(1.00×10-2mol)磷酸钠溶解，并缓慢加入到上述稀土硝酸盐溶液中，采用磁力搅拌使反应体系混合均匀，用氢氧化钠溶液调节混合物的pH为8.0。将所得混合物注入水热合成反应釜，在180 ℃的密封环境下反应2 h。待水热合成反应釜的温度降至室温，开封。向反应产物中加入500 mL无水乙醇，将混合物离心分离，并用水充分洗涤沉淀，重复离心、洗涤步骤3次。将离心得到的白色沉淀在50 ℃恒温烘箱中干燥12 h，最终得到LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末[9]。

1.3 LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末的表征

使用美国FEI公司TECNAI20型透射电子显微镜(TEM)表征纳米荧光材料的微观形貌及颗粒尺寸； 使用荷兰PANalytical公司X’ Pert Pro型多晶X射线衍射(XRD)仪表征纳米荧光材料的晶体类型； 使用美国Perkin Elmer公司LS-55型荧光光谱(FS)仪表征纳米荧光材料的荧光性能。

1.4 LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末用于指纹显现

实验中借鉴文献方法显现指纹[10]，具体操作如下：首先，将手洗干净后自然晾干，并在客体表面按捺汗潜指纹； 然后，用蘸取少量LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末的鹳毛刷在遗留指纹表面刷显，当显现出指纹的大致轮廓后，去掉鹳毛刷上的粉末，继续沿着指纹纹线的流向方向扫动，直至显现出清晰的指纹纹线； 最后，将显出的指纹在254 nm紫外灯的照射下观察，并用数码单反相机拍摄。

1.5 指纹的DNA检测

(1)指纹DNA的提取。用法医生物提取棉签蘸取适量的生理盐水，并彻底擦拭客体表面的指纹，使指纹物质连同纳米粉末全部转移到棉签表面。将棉签的头部剪下，并放入离心管中保存。

(2)指纹DNA的纯化。使用美国Promega公司的DNA IQTM Casework Pro Kit试剂盒进行裂解处理，在上述离心管中加入裂解液，在95 ℃恒温下震荡裂解30 min。裂解产物使用美国Promega公司的Maxwell型DNA自动纯化仪进行纯化处理。

(3)指纹DNA的PCR扩增。使用美国Promega公司的PowerPlex-21试剂盒处理DNA提取物，并使用美国ABI公司的9700型PCR扩增仪进行PCR复合扩增处理。

(4)指纹DNA的STR检测。使用美国ABI公司的3130XL型基因分析仪将PCR扩增产物进行STR分型检测。

(5)指纹DNA的结果分析。利用Gene Mapper ID-X软件对检测结果进行DNA片段分析。

2 结果与讨论

2.1 LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末的表征

图1为LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末的透射电子显微

镜(TEM)照片，该纳米荧光粉末的微观形貌为棒状，分散性良好，纳米棒的平均长度为700 nm、平均直径为20 nm。

图1 LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末的透射电子显微镜照片

Fig.1 Transmission electron micrograph of LaPO4∶Ce, Tb fluorescent nanopowders

图2(a)为LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末的X射线衍射(XRD)谱图，其衍射峰对应的晶体结构为单斜LaPO4晶型(JCPDS No.84-0600)，衍射峰的位置和强度与LaPO4标准谱图[图2(b)]匹配一致。

图2 LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末的X射线衍射谱图

Fig.2 Experimental powder X-ray diffraction pattern LaPO4∶Ce, Tb fluorescent nanopowders (a), and calculated line pattern for LaPO4(b)

图3为LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末的激发光谱与发射光谱。在544 nm发射波长下的激发光谱如图3a所示，在230～320 nm波长范围内存在一个中心波长位于273 nm的强吸收带，对应于Ce3+的4f—5d跃迁吸收。在273 nm激发波长下的发射光谱如图3b所示，发射光谱中出现了Tb3+特有的尖锐发射峰。中心波长位于488，544，586和620 nm处的四个发射峰，分别对应于Tb3+的5D4→7F6，5D4→7F5，5D4→7F4和5D4→7F3能级跃迁。

Fig.3 Excitation spectrum (a), and emission spectrum (b) of LaPO4∶Ce, Tb fluorescent nanopowders

2.2 LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末用于指纹显现

2.2.1 显现效果的考察

研究首先考察指纹显现的对比度、灵敏度和选择性。在254 nm紫外灯下观察，指纹的乳突纹线部位产生了明亮的绿色荧光[图4(b)]，指纹与客体间的反差明显，因此具有较高的对比度。指纹的乳突纹线部位连贯清晰，细微特征反映明显，因此具有较高的灵敏度。指纹的小犁沟及皱纹部位没有产生绿色荧光，与客体保持一致[图4(c)]，指纹与客体间的反差明显，因此具有较高的选择性。综上所述，LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光材料所产生的荧光信号有利于强化指纹与客体间的反差，进而提高了显现对比度； 其细小的粒径有利于反映指纹中的细微特征，进而提高了显现灵敏度； 其可控的表面性质及附着能力有利于控制纳米颗粒与指纹遗留物之间的结合方式及程度，进而提高了显现的选择性。

图4 使用LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末显现玻璃客体表面汗潜指纹的效果照片

(a)：明场照片； (b)：254 nm紫外光照射下的暗场照片； (c)为(b)的局部放大照片

Fig.4 Latent fingerprints on glass developed by LaPO4∶Ce, Tb fluorescent nanopowders：(a) image in the bright field, (b) image in the dark field with 254 nm ultraviolet excitation, and (c) corresponding magnified image

2.2.2 背景干扰的考察

研究继续考察指纹显现的背景干扰情况。使用LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末对绿色背景颜色的塑料包装纸[图5(a)]及复杂花纹图案的杂志印刷纸[图5(b)]表面汗潜指纹进行显现，在254 nm紫外灯下观察，指纹与客体间的反差明显，指纹的纹线清晰连贯、细微特征明显，并没有受到客体颜色及背景荧光的干扰[图5(a’—b’)]。综上所述，LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末的荧光性能优良，足以克服背景干扰，进而提高了显现的对比度。

图5 使用LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末显现复杂颜色背景图案客体表面汗潜指纹的照片(a—a’)塑料包装纸； (b—b’)杂志印刷纸(a—b)为明场照片； (a’—b’)为254 nm紫外光照射下的暗场照片

Fig.5 Latent fingerprints developed by LaPO4∶Ce, Tb fluorescent nanopowders, and excited by 254 nm ultraviolet light on plastic paper (a—a’) and printing paper (b—b’): (a—b) are images in the bright field, and (a’—b’) are images in the dark field with 254 nm ultraviolet excitation

2.2.3 适用客体范围的考察

研究最后考察指纹显现的适用性。使用LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末对大理石[图6(a—b)]、金属[图6(c—d)]、油漆木[图6(e—f)]、便笺纸[图6(g)]、塑料片[图6(h)]表面的汗潜指纹进行显现，并在254 nm紫外灯下观察，指纹与客体间的反差明显，没有受到客体颜色及背景荧光的干扰，乳突纹线清晰连贯、细微特征明显[图6(a’—h’)]，显现效果优良。值得一提的是，使用LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末显现彩色印刷纸张[图5(b’)]和荧光便笺纸[图6(g’)]表面的汗潜指纹，显现效果依然良好，说明LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末同样适用于显现光滑纸张表面的汗潜指纹。

2.3 指纹的DNA提取及检测

研究直接将粉末法显现后的指纹用沾有生理盐水的棉签反复擦拭提取，将提取得到的DNA进行裂解、纯化、PCR扩增、STR荧光检测、分析。检测图谱如图7所示，在STR荧光检测图谱中出现了30组具有较高强度的信号峰，完全能够达到法医同一认定的要求。

图6 使用LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末显现常见客体表面汗潜指纹的照片(a—a’)铝箔； (b—b’)不锈钢； (c—c’)瓷砖； (d—d’)大理石； (e—e’)地板； (f—f’)油漆木； (g—g’)便笺纸； (h—h’)塑料卡片(a—h)为明场照片； (a’—h’)为254 nm紫外光照射下的暗场照片

Fig.6 Latent fingerprints developed by LaPO4∶Ce, Tb fluorescent nanopowders, and excited by 254 nm ultraviolet light on various substrates: (a—a’) aluminum foil, (b—b’) stainless steel, (c—c’) tile, (d—d’) marble, (e—e’) floor board, (f—f’) painted wood, (g—g’) scribbling paper, and (h—h’) plastic card.(a—h) are images in the bright field, and (a’—h’) are images in the dark field with 254 nm ultraviolet excitation

图7 指纹DNA的STR荧光检测图谱

3 结 论

采用溶剂热法在水和乙二醇的混合体系中合成出高质量的LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末。合成LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末的微观形貌为单分散的纳米棒，其平均长度约为700 nm、平均直径约为20 nm，晶体结构为单斜LaPO4晶型，在254 nm紫外光的激发下能够发射出较强的绿色荧光。将LaPO4∶Ce, Tb纳米荧光粉末与传统的粉末显现法相结合，对一系列光滑非渗透性以及渗透性客体表面的汗潜指纹进行显现，表现出较高的对比度、灵敏度、选择性。本显现方法具有操作过程简单、显现效果优良、背景干扰较小、应用范围广泛等特点，并且显现后的指纹可以实现后续的指纹DNA提取与检测。

[1] Sodhi G S, Kaur J.Forensic Sci.Int., 2001, 120：172.

[2] Gao F, Lv C F, Han J X, et al.J.Phys.Chem.C, 2011, 115：21574.

[3] Ma R L, Bullock E, Maynard P, et al.Forensic Sci.Int., 2011, 207：145.

[4] Ma R L, Shimmon R, McDonagh A, et al.Forensic Sci.Int., 2012, 217：e23.

[5] Wang J, Wei T, Li X Y, et al.Angew.Chem.Int.Ed., 2014, 53：1616.

[6] Wang M, Zhu Y, Mao C B.Langmuir, 2015, 31：7084.

[7] Wang M, Li M, Yang M Y, et al.Nano Res., 2015, 8：1800.

[8] Gao F, Han J X, Zhang J, et al.Nanotechnology, 2011, 22：075705.

[9] Wang M, Li Ming, Yu A Y, et al.ACS Appl.Mater.Interfaces, 2015, 7：28110.

[10] Wang M.Spectrosc.Spectr.Anal., 2015, 35：1601.

(Received Dec.10, 2015; accepted Mar.14, 2016)

Synthesis of LaPO4∶Ce, Tb Fluorescent Nanopowders and Their Applications in Nondestructive Development of Latent Fingerprints

WANG Meng

Department of Trance Examination, National Police University of China, Key Laboratory of Impression Evidence Examination and Identification Technology, Ministry of Public Security, Shenyang 110035, China

LaPO4∶Ce, Tb fluorescent nanopowders with high quality were synthesized via a hydrothermal method.The size, phase, and fluorescent property of as-prepared fluorescent nanopowders were then characterized by transmission electron microscopy (TEM), powder X-ray diffraction (XRD) measurements, and fluorescence spectroscopy (FS).The fluorescent nanopowders were well-dispersed and rod-like in shape, with an average diameter of about 20 nm and an average length of about 700 nm.The fluorescent nanopowders were of pure monoclinic LaPO4structure.They could emit strong green fluorescence under the 254 nm ultraviolet excitation.The LaPO4∶Ce, Tb fluorescent nanopowders were finally used as novel fluorescent labels for the nondestructive development of latent fingerprints on various smooth substrates, and the developing contrast, sensitivity, selectivity, as well as the background interference were also discussed in detail.The experimental results showed that the latent fingerprints labeled by LaPO4∶Ce, Tb fluorescent nanopowders could give strong green emissions under 254 nm ultraviolet lights, and thus well-defined friction ridges with sharp edges and some detailed features could be clearly observed, with high contrast, high sensitivity, high selectivity, and low background interference.It was shown that our development procedure was facile, effective and well applicable with outstanding performance.More importantly, the extraction and detection of DNA in fingerprint residues could also be achieved after fingerprint development, which was almost impossible to achieve by using the traditional used developing powders including metal powder, metallic powder, and fluorescent powder.Therefore, our work provides beneficial references for the full utilization of both fingerprints and DNA evidences.

Fingerprint development; Nondestructive; Nanomaterials; fluorescence; DNA

2015-12-10，

2016-03-14

国家自然科学基金项目(21205139)，辽宁省高等学校优秀人才支持计划项目(LJQ2014130)，公安部应用创新计划项目(2012YYCXXJXY127)，公安部科技强警基础工作专项项目(2014GABJC033)和辽宁省教育科学“十二五”规划立项课题项目(JG15DB443)资助

王 猛，1983年生，中国刑事警察学院痕迹检验技术系副教授 e-mail：mengwang@alum.imr.ac.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)05-1412-06