黃 銳

(1.西南政法大學(xué)司法鑒定與證據(jù)科學(xué)研究院， 重慶 401120； 2.重慶高校物證技術(shù)工程研究中心， 重慶 401120)

0 引言

在納米顆粒合成方法中，檸檬酸鈉還原法最早用于制備金屬納米顆粒，是在水相中以檸檬酸鈉還原氯金酸[1]。但是，利用該法還原制備的金屬納米顆粒存在產(chǎn)量低，成本相對較高，尺寸單一性差，形貌不規(guī)則等缺點(diǎn)。另外，檸檬酸根離子作為配體形成的丙酮二羧酸中間體會(huì)導(dǎo)致顆粒表面的組成不確定[2]。

納米材料在制備過程中主要采用兩種加熱方式：傳統(tǒng)水熱法和微波輻射法。傳統(tǒng)水熱法很早就廣泛應(yīng)用于在化學(xué)反應(yīng)中[3-4]。但是，傳統(tǒng)水熱法由外及里的加熱方式會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)體系受熱不均勻，使得制備的金屬納米顆粒粒徑較大且不均一。新興的微波輻射法因其熱傳導(dǎo)方式的不同，使之在納米材料合成中成為一種綠色、高效的手段而逐漸得到應(yīng)用[5-6]。利用微波法合成的納米膠體顆粒，具有粒徑小、分散性好等特點(diǎn)[7]。

微波輻射的原理是將微波電磁能轉(zhuǎn)化為熱能而引起的由里及外“體加熱”或“內(nèi)加熱”[8]。微波輻射與傳統(tǒng)加熱方式相比，具有如下顯著優(yōu)勢：一是縮短了成核時(shí)間，使顆粒成核更均勻，無滯后效應(yīng)[9-12]；二是使加熱效率變高，化學(xué)反應(yīng)時(shí)間加快[13]；三是使副反應(yīng)減少，生成物產(chǎn)率提高。目前，國內(nèi)外已有許多采用微波輻射法合成金屬納米顆粒的研究。

鉑是一種常見的貴金屬，具有優(yōu)越的穩(wěn)定性和催化性，在催化領(lǐng)域、電化學(xué)、生物學(xué)等方面有著突出的優(yōu)勢和重要的作用。因此，目前關(guān)于鉑納米顆粒(Pt NPs)的報(bào)道主要集中于如何實(shí)現(xiàn)高催化活性、高選擇性以及形貌控制。在顯現(xiàn)汗?jié)撝赣》矫妫K具有與潛指印汗液中生物分子或基團(tuán)之間配位作用、疏水作用、靜電作用、氫鍵作用等多種非共價(jià)識別結(jié)合的能力。Pt NPs能夠與潛指印中的水和油脂等物質(zhì)因物理吸附作用而結(jié)合，同時(shí)，Pt NPs與生物分子中的巰基、氨基、羧基等基團(tuán)產(chǎn)生配位作用、靜電作用以及氫鍵作用等多重作用機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)對乳突紋線的選擇性識別。因此，Pt NPs在潛指印識別顯現(xiàn)中的價(jià)值值得期待。

本文采用將乙二醇、氫氧化鈉加入到氯鉑酸溶液中進(jìn)行直接加熱的方式制備鉑納米顆粒。在制備過程中，分別采用傳統(tǒng)水熱法與微波輻射法兩種加熱方式制備鉑納米顆粒，并通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡、Zeta電位及粒度分析儀、X-射線衍射儀、紫外- 可見分光光度計(jì)等手段對兩種加熱方式制備的鉑納米顆粒分別進(jìn)行表征和性質(zhì)比較。最終，將鉑納米溶液應(yīng)用于潛指印分子識別顯現(xiàn)，并對顯現(xiàn)條件進(jìn)行考察。

1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1 主要實(shí)驗(yàn)試劑

氯鉑酸(H2PtCl6·6H2O)：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；乙二醇((CH2OH)2)：成都市科龍化工試劑廠；氫氧化鈉(NaOH)：中國醫(yī)藥上?；瘜W(xué)試劑公司；所有化學(xué)試劑為分析純，實(shí)驗(yàn)中所用水均為超純水。

1.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器

紫外- 可見分光光度計(jì)(UV- 2450)：日本島津公司；場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SU8010)：日本日立公司； X-射線衍射儀(Ultima IV)：日本理學(xué)株式會(huì)社； Zeta電位及粒度分析儀(ZetaPALS)：美國布魯克海文儀器公司；多波段光源文檢儀(VSC5000)：英國法司特公司；超純水機(jī)(Milli-Q)：美國密理博公司；分析天秤(AR224CN)：奧豪斯儀器(常州)有限公司；電子調(diào)溫加熱套(DZTW)：北京鑫潤科諾儀器儀表有限公司；家用微波爐(D8023CSL- K4，格蘭仕)；移液槍：大龍興創(chuàng)實(shí)驗(yàn)儀器(北京)有限公司。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 Pt NPs的制備

傳統(tǒng)水熱合成法[14]：將乙二醇(5 mL)、NaOH(1 mol/L、3 mL)、H2PtCl6(40 mmol/L、13 mL)加熱至沸騰，保持沸騰狀態(tài)反應(yīng)直至溶液變?yōu)椴韬稚?，關(guān)閉熱源，繼續(xù)攪拌至室溫。冷卻后所得溶液即為鉑納米溶液。

微波輻射合成法[14-15]：將乙二醇(5 mL)、NaOH(1 mol/L、3 mL)、H2PtCl6(40 mmol/L、13 mL)混合。將上述溶液轉(zhuǎn)入燒杯并置于微波爐中，在微波功率為800 W條件下進(jìn)行微波輻射反應(yīng)，反應(yīng)過程中溶液由淺黃色變成茶褐色時(shí)立即停止加熱(加熱時(shí)長約90 s)。冷卻后即得鉑納米溶液。

2.2 Pt NPs的性質(zhì)研究

分別利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡、Zeta電位及粒度分析儀、X-射線衍射儀、紫外- 可見分光光度計(jì)等儀器方法對傳統(tǒng)水熱法與微波輻射法制備所得的鉑納米溶液進(jìn)行性質(zhì)比較分析。通過場發(fā)射掃描電鏡、Zeta電位及粒度分析儀比較傳統(tǒng)水熱法和微波輻射法分別制得的鉑納米顆粒微粒狀態(tài)以及顆粒尺寸；用X-射線衍射儀分析對兩種方法制備的鉑納米溶液的衍射圖譜，獲取其成分和結(jié)構(gòu)信息；分別對兩種方法制備的鉑納米溶液進(jìn)行紫外光譜掃描，繪制紫外- 可見吸收光譜圖，通過對其自外吸收光譜性質(zhì)的研究。

2.3 潛指印的制作與識別顯現(xiàn)

所有指印樣本均由同一志愿者提供。自愿者于自然狀態(tài)下在不同載體上捺印汗液指印，獲得潛指印樣本。將傳統(tǒng)水熱法和微波輻射法制得的鉑納米溶液分別用膠頭滴管吸取，并沿指印乳突紋線順時(shí)針滴于不同載體上的潛指印紋線上，待載體上的溶液自然風(fēng)干。風(fēng)干后的干燥指印采用文檢儀觀察并記錄，用Photoshop圖像處理軟件對潛指印顯現(xiàn)照片進(jìn)行處理[16]。為盡可能模仿真實(shí)案件現(xiàn)場上的潛指印，本實(shí)驗(yàn)所用的指印樣本均在自然狀態(tài)下存放。

3 結(jié)果與討論

3.1 Pt NPs的形貌表征

通過場發(fā)射掃描電鏡對傳統(tǒng)水熱法和微波輻射法制備的鉑納米顆粒的微觀形貌進(jìn)行比較分析。目前大多數(shù)的研究報(bào)道中，鉑納米顆粒均為單晶結(jié)構(gòu)，有多面體、球形等多種形態(tài)。對于單晶態(tài)的鉑納米顆粒而言，熱力學(xué)穩(wěn)定的形狀是球形，其次是表面由(111)和(100)晶面所圍成的平截八面體[17]。由掃描電鏡圖像顯示的鉑納米顆粒形貌可知(圖1)，本文制備了穩(wěn)定的球形鉑納米顆粒。

圖1 (A)圓球形鉑納米顆粒電鏡圖；(B)單顆粒放大圖

如圖2所示，傳統(tǒng)水熱法和微波輻射法制備的鉑納米顆粒均達(dá)到納米級，且顆粒形態(tài)都呈平滑的圓球形。傳統(tǒng)水熱法制得的顆粒易團(tuán)聚且粒徑大小不均勻，微波輻射法在更短的制備時(shí)間內(nèi)所制得的鉑納米顆粒分散性更好、尺寸更加均勻。結(jié)合圖2中的粒徑分布圖可知，微波輻射法制得的鉑納米顆粒平均粒徑約12.5 nm，小于傳統(tǒng)水熱法制得的平均粒徑16 nm。在通過Zeta電位及粒度分析儀進(jìn)行測量的過程中，會(huì)用多分散性指數(shù)(PDI)來實(shí)時(shí)監(jiān)測顆粒的多分散性。多分散性指數(shù)往往用于衡量顆粒粒徑大小的一致程度，指數(shù)值越低，說明顆粒粒徑分布越集中，反之，指數(shù)值越高，則說明顆粒粒徑分布范圍廣。數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)水熱法所制備溶液的多分散性指數(shù)在0.3～0.8之間，而微波輻射法所制備溶液的多分散性指數(shù)則在0.1～0.3之間，這表明微波輻射法制備鉑納米顆粒較傳統(tǒng)水熱法制得的顆粒多分散性更好。在顯現(xiàn)潛指印時(shí)，微波輻射法制備的Pt NPs能夠更穩(wěn)定的與生物分子非共價(jià)識別。

3.2 Pt NPs的XRD表征

通過X射線衍射儀測定表征物，可以根據(jù)圖譜中特征峰的位置對鉑納米材料進(jìn)行定量分析、物相分析、晶胞參數(shù)的測定等。圖3為制備的鉑納米顆粒的X射線衍射圖譜。將其與鉑的標(biāo)準(zhǔn)衍射譜圖對照(編號為0040802的JCPDS卡片)，在衍射峰2θ=39.8°，46.2°，67.5°，81.3°為Pt的111、200、220、311四個(gè)晶面，說明制備的鉑納米顆粒是面心立方結(jié)構(gòu)(fcc)[18]。由XRD圖譜可以看出，微波輻射法制備的鉑納米顆粒表征圖譜的衍射峰更加尖銳而且峰強(qiáng)度較傳統(tǒng)水熱法更強(qiáng)，說明微波輻射法制備的鉑納米顆粒的純度更高[19]，與生物分子識別的能力更強(qiáng)。

3.3 Pt NPs的吸收光譜性質(zhì)研究

圖4 鉑納米顆粒的紫外光譜圖

3.4 潛指印識別顯現(xiàn)條件的優(yōu)化

由上述分析可知，相比于傳統(tǒng)水熱法，微波輻射法可以更短時(shí)間內(nèi)、更加高效地制備出粒徑更小、分散性更好、形態(tài)更加均勻的鉑納米溶液。因此，在3.4、3.5、3.6部分對潛指印顯現(xiàn)條件的優(yōu)化以及顯現(xiàn)效果比較中，均采用微波輻射法制備鉑納米溶液。

(1)氯鉑酸濃度對顯現(xiàn)效果的影響

分別用濃度為50 mmol/L、40 mmol/L、30 mmol/L、20 mmol/L的氯鉑酸溶液通過微波輻射法制備鉑納米溶液，并將其應(yīng)用于2.3中所捺印的潛指印識別顯現(xiàn)。如圖5可知，40 mmol/L的氯鉑酸溶液對潛指印的顯現(xiàn)效果最佳，指印紋線清晰、乳突紋線和犁溝線層次明顯、細(xì)節(jié)特征明確可辨。濃度為50 mmol/L、30 mmol/L、20 mmol/L的氯鉑酸溶液對潛指印的顯現(xiàn)效果相較40 mmol/L濃度溶液略差，雖然細(xì)節(jié)特征顯現(xiàn)較弱，但依然能顯現(xiàn)完整的紋線和清晰的輪廓。進(jìn)一步探究氯鉑酸濃度對鉑納米顆粒的尺寸性質(zhì)的影響，以判斷影響顯現(xiàn)效果的因素。如圖6所示，氯鉑酸濃度過低或過高均會(huì)導(dǎo)致納米顆粒尺寸增大，納米顆粒會(huì)在犁溝堆積，導(dǎo)致納米顆粒對乳突紋線的特異性能力結(jié)合減弱，與犁溝線的反差降低，并掩蓋指印汗孔等細(xì)節(jié)特征，不利于對潛指印中所含的生物分子進(jìn)行識別顯現(xiàn)[23]。

圖5 不同濃度的鉑納米溶液對潛指印顯現(xiàn)的影響

圖6 氯鉑酸濃度與粒徑大小關(guān)系圖

(2)溶液pH對顯現(xiàn)效果的影響

鉑納米溶液的pH值對潛指印顯現(xiàn)效果有明顯影響。在酸性的條件下，蛋白質(zhì)、氨基酸等潛指印成分容易質(zhì)子化，使得鉑納米顆粒更易與蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸等生物分子中的巰基、氨基、羧基等基團(tuán)發(fā)生配位作用等非共價(jià)識別作用，因此鉑納米溶液在酸性環(huán)境中與潛指印的乳突紋線結(jié)合更為緊密[24]。分別對微波輻射法所制得的鉑納米溶液在pH=2、pH=3、pH=4、pH=5、pH=6條件下進(jìn)行顯現(xiàn)效果比較分析，考察溶液pH值對潛指印顯現(xiàn)效果的影響。

如圖7所示，當(dāng)納米溶液的pH值過小，紋線輪廓以及基本特征能夠識別顯現(xiàn)，但與背景的反差小、層次不明顯、細(xì)節(jié)特征表達(dá)模糊，這是因?yàn)樗岫冗^大，影響了鉑納米顆粒的穩(wěn)定性，出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象；而當(dāng)溶液的酸性較弱，指印成分中的蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸等氨基化合物不能有效的質(zhì)子化(即不能與H+有效結(jié)合)，使得Pt NPs與指印中生物分子的非共價(jià)識別作用降低，故出現(xiàn)部分乳突紋線顯現(xiàn)不清的現(xiàn)象[25]。當(dāng)納米溶液pH=5時(shí)，汗?jié)撝赣〉娘@現(xiàn)效果最好，紋線清晰流暢，細(xì)節(jié)特征表現(xiàn)良好。

圖7 不同pH的鉑納米顆粒對潛指印顯現(xiàn)的影響

(3)不同遺留時(shí)間潛指印的顯現(xiàn)效果

指印遺留時(shí)間是指手指接觸客體并在客體表面遺留下指印后，直至指印被發(fā)現(xiàn)時(shí)所間隔的時(shí)間。通常，遺留時(shí)間小于72 h的指印稱為新鮮指印，遺留時(shí)間大于72 h的指印稱為陳舊指印。

采用濃度為40 mmol/L氯鉑酸制得pH為5的鉑納米溶液對同一志愿者捺印的遺留時(shí)間0 h～24 d的潛指印進(jìn)行識別顯現(xiàn)，顯現(xiàn)效果如圖8所示。鉑納米溶液對0 h～6 d內(nèi)形成的潛指印效果均較好，其中遺留時(shí)間為6 d的潛指印顯現(xiàn)效果最佳；當(dāng)遺留時(shí)間再延長，顯現(xiàn)效果明顯降低，鉑納米溶液對遺留時(shí)間為24 d的潛指印基本無法識別顯現(xiàn)出紋線細(xì)節(jié)特征。

鉑納米溶液對新鮮潛指印的識別顯現(xiàn)，一方面是Pt NPs與潛指印中的水和油脂等物質(zhì)因物理吸附作用而結(jié)合，另一方面Pt NPs與生物分子中的巰基、氨基、羧基等基團(tuán)產(chǎn)生配位作用、靜電作用以及氫鍵作用。然而隨著指印遺留時(shí)間的推移，潛指印中的水和油脂等成分會(huì)因揮發(fā)、氧化等因素而逐漸減少，這使得鉑納米顆粒與紋線之間的作用力減弱、作用位點(diǎn)減少，直接影響指印的顯現(xiàn)效果[26]。

圖8 不同新鮮程度指印的顯現(xiàn)效果

3.5 不同客體上潛指印的識別顯現(xiàn)

分別選擇透明玻璃、透明塑料、藍(lán)色磨砂塑料以及A4文印紙張作為指印承受客體，利用鉑納米溶液對其上的汗?jié)撝赣∵M(jìn)行顯現(xiàn)效果的考察。如圖9所示，不同載體上的潛指印顯現(xiàn)效果存在明顯差異：透明玻璃上的潛指印顯現(xiàn)完整，乳突紋線中的起點(diǎn)、終點(diǎn)、分歧、結(jié)合等細(xì)節(jié)特征清晰可辨；透明塑料上的汗?jié)撝赣∫嗄軐?xì)節(jié)特征進(jìn)行良好表達(dá)，但是紋線與承受客體背景的反差小，顯現(xiàn)效果不如透明玻璃；而藍(lán)色磨砂塑料和白色A4文印紙張上的汗?jié)撝赣★@現(xiàn)效果差，細(xì)節(jié)特征幾乎無法得到識別顯現(xiàn)。造成上述顯現(xiàn)效果差異的原因是：透明玻璃和透明塑料均為非滲透性承受客體，且底色與顯現(xiàn)后的乳突紋線顏色對比鮮明，故顯現(xiàn)效果好；藍(lán)色塑料片為磨砂表面，潛指印本身與客體之間的結(jié)合力相對較弱，潛指印中的物質(zhì)遺留量相對較少，使其與鉑納米溶液反應(yīng)的作用位點(diǎn)減少、結(jié)合力減弱，而顯現(xiàn)后的指印與藍(lán)色塑料背景的顏色色差小，上述原因均導(dǎo)致該客體上的潛指印顯現(xiàn)效果差；白色A4文印紙張為草木纖維制作，其滲透性強(qiáng)，導(dǎo)致紙張表面的指印物質(zhì)遺留量少，而水相制備的鉑納米溶液在紙張上亦具有強(qiáng)滲透性，因此綜合導(dǎo)致鉑納米溶液在該客體上的汗?jié)撝赣★@現(xiàn)效果不理想。

圖9 鉑納米溶液對不同載體上潛指印的顯現(xiàn)效果

3.6 與茚三酮溶液的顯現(xiàn)效果比較

茚三酮溶液因能與潛指印中的氨基酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而顯色，是目前常用的傳統(tǒng)型潛指印顯現(xiàn)試劑。因此，選擇茚三酮溶液與鉑納米溶液對潛指印的顯現(xiàn)效果進(jìn)行對比研究。如圖10、11所示，對玻璃、塑料客體上的潛指印，鉑納米溶液的顯現(xiàn)效果勝于茚三酮溶液；而對形成于紙張上的汗?jié)撝赣?，茚三酮溶液與指印乳突紋線的結(jié)合能力強(qiáng)，指印的整體顯現(xiàn)更為清晰，但是從細(xì)節(jié)特征來看，茚三酮溶液顯現(xiàn)的乳突紋線不流暢、有斷點(diǎn)，鉑納米溶液對A4紙上的汗?jié)撝赣★@現(xiàn)效果差，只能識別顯現(xiàn)指印的基本輪廓，無法識別紋線的細(xì)節(jié)特征。

圖10 鉑納米溶液對不同載體上潛指印的顯現(xiàn)效果

圖11 茚三酮對不同載體上的潛指印顯現(xiàn)效果

同為溶液型顯示劑，本文在水相中制備的鉑納米溶液的不足主要表現(xiàn)在：其對滲透性客體上的潛指印顯現(xiàn)效果差且顯現(xiàn)速度比茚三酮溶液慢。但作為典型傳統(tǒng)方法的茚三酮溶液，在顯現(xiàn)汗?jié)撝赣≈写嬖谝韵聨讉€(gè)問題：一是易使背景客體著色，造成證據(jù)污染；二是易引起紙張上油墨的擴(kuò)散，破壞文書證據(jù)；三是使用的溶劑(如乙醇、乙醚等)易燃、易揮發(fā)、易致毒；四是穩(wěn)定性差、不易保存，經(jīng)茚三酮顯現(xiàn)處理過的紙質(zhì)材料一段時(shí)間后將發(fā)生變色，變色后的紙張與已顯出的潛指印紋線的色差減小，不符合實(shí)際工作中對物證的存檔要求，不利于后期的案件復(fù)審和追查，存在造成重大過失的隱患。

4 結(jié)論

本文以乙二醇為還原劑，采用了兩種不同的加熱方式——傳統(tǒng)水熱法和微波輻射法，分別制備了鉑納米顆粒。通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡、Zeta電位及粒度分析儀、X-射線衍射儀、紫外- 可見分光光度計(jì)等方法對其進(jìn)行表征和性質(zhì)研究。結(jié)果顯示，微波輻射法因其加熱機(jī)制的不同，所制備的鉑納米顆粒在顆粒形態(tài)、粒徑大小、分散性等各方面均表現(xiàn)出比傳統(tǒng)水熱法更優(yōu)越的性能。在潛指印的顯現(xiàn)研究中，對不同條件進(jìn)行了系統(tǒng)考察，結(jié)果顯示：在氯鉑酸制備濃度為40 mmol/L且鉑納米溶液pH值為5時(shí)，對透明玻璃客體上6天之內(nèi)形成的潛指印顯現(xiàn)效果最佳。鉑納米溶液在非滲透客體上的顯現(xiàn)效果優(yōu)于滲透性客體，這在與傳統(tǒng)型顯示劑茚三酮溶液的比較研究中可見一斑，其原因與本方法采用水相制備有直接關(guān)系。

本文實(shí)現(xiàn)了通過鉑原子對潛指印中生物分子的非共價(jià)識別使?jié)撝赣】梢暬?，?yàn)證了Pt原子對潛指印乳突紋線的識別能力，為后期功能化鉑納米材料的設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。