金曉東， 唐鏡宇， 陳 偉， 張 沖， 徐同祥

（江蘇警官學(xué)院刑事科學(xué)技術(shù)系，南京 210031）

0 引 言

教育部于2019 年10 月出臺了《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》文件［1］，提出“強化科研育人功能，推動高校及時把最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣”的要求，因此為提高學(xué)生的綜合創(chuàng)新實踐能力，綜合性實驗課程的設(shè)置就顯得十分必要。高校教師的科研項目及其相關(guān)研究成果為綜合性實驗的設(shè)計提供了良好的素材資源，通過將其凝練設(shè)計成綜合實驗，可使實驗教學(xué)內(nèi)容更具學(xué)科前沿性、綜合性和創(chuàng)新性，這也是提高高校實驗教學(xué)水平的有效途徑［2-3］。綜合性實驗的開展，一方面可使學(xué)生在本科階段接觸到學(xué)科前沿知識，將教師的科研項目與學(xué)生的實驗有機融合，提升學(xué)生的科研創(chuàng)新能力、動手能力［4］，而另一方面也能讓學(xué)生在實驗中學(xué)習(xí)，促進專業(yè)基礎(chǔ)理論知識的交叉融合。

聚集誘導(dǎo)發(fā)光（aggregation-induced emission，AIE）是由我國科學(xué)家原創(chuàng)并引領(lǐng)世界科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域［5］。自唐本忠院士于2001 年發(fā)現(xiàn)1-甲基-1，2，3，4，5-五苯基噻咯的反常發(fā)光行為，并稱之為AIE 現(xiàn)象以來［6］，國內(nèi)外許多課題組都在致力于AIE 的研究?；贏IE 分子在固態(tài)時呈現(xiàn)出優(yōu)良的熒光發(fā)光特性，克服了傳統(tǒng)有機熒光染料的聚集誘導(dǎo)猝滅（aggregation-caused quenching，ACQ）效應(yīng)，Li 等［7］報道了利用AIE 分子熒光顯現(xiàn)潛指紋。這引起了眾多法庭科學(xué)或化學(xué)工作者的研究興趣，許多新穎的AIE分子被報道用于潛指紋顯現(xiàn)的研究［8］。將AIE 顯現(xiàn)潛指紋新技術(shù)引入至本科教學(xué)實驗中，可以較好地將學(xué)科前沿與專業(yè)實踐相結(jié)合，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進學(xué)生對學(xué)科前沿的了解［9］。

本文以來自教師的科研項目“聚集誘導(dǎo)發(fā)光材料顯現(xiàn)潛指紋技術(shù)研究”中已合成制備的AIE分子NIRLP為研究對象，設(shè)計了一個綜合性實驗——聚集誘導(dǎo)發(fā)光材料協(xié)同“502”熏顯技術(shù)顯現(xiàn)潛指紋，期望通過本綜合實驗融合之前所學(xué)的諸如大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)、儀器分析、痕跡檢驗等基礎(chǔ)理論課程，彌補基礎(chǔ)教學(xué)實驗的不足，從而提升刑事科學(xué)技術(shù)專業(yè)學(xué)生的綜合素質(zhì)，同時也為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

1 實驗試劑與儀器

試劑：染料NIR-LP（見圖1）為實驗室自制；“502”膠購于京東商城；其他試劑購于探索平臺，均為分析純，如無特別說明，無需進一步純化，直接使用。

儀器：熒光分光光度計（美國Varian Cary Eclipse）；電子天平（上海恒平科學(xué)儀器有限公司FA1104 N），手提紫外燈（上海光豪分析儀器有限公司，ZF-7A），移液槍（Dragon-lab），相機（Canon-EDS 700D），“502”熏顯箱（美國Mystaire CA3000 502），掃描電鏡（美國FEI Quanta 450）。

圖1 染料NIR-LP的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

2 實驗步驟

2.1 化合物NIR-LP光譜測試條件

（1）母液的配制。配置染料NIR-LP 的2.5 mmol

乙腈溶液（母液），并在低溫、避光條件下進行保存。

（2）工作液的配制。取1 mL 染料NIR-LP 的母液，滴加至不同體積比的CH3CN/H2O混合溶液（溶液的總體積為10 mL）中，配制0.25 mmol的染料NIR-LP的工作液。

（3）熒光發(fā)射光譜的測定。利用熒光分光光度計測定染料NIR-LP 的AIE 性能時，設(shè)置λex= 430 nm，分別測試上述染料NIR-LP不同體積比的CH3CN/H2O混合溶液的熒光發(fā)射光譜。

2.2 潛指紋成像實驗

（1）樣本的制作。指示志愿者用肥皂將手洗凈后，用手指輕蹭額頭或臉頰，并分別在玻璃、鋁板、鋼板和硬幣客體上輕輕按捺，得到實驗所需的潛指紋樣本。

（2）樣本的顯現(xiàn)。將上述載有潛指紋的客體置于“502”熏顯箱內(nèi)，加熱20 min 后，取出客體，得到呈現(xiàn)白色指紋的客體。隨后，將不同體積比的CH3CN/H2O的染料NIR-LP溶液滴加至上述客體上，染色2 min。

（3）樣本的成像。在365 nm 手提紫外燈的激發(fā)下，觀察上述顯現(xiàn)指紋后的客體，并用單反相機拍攝、記錄（見圖2）。

圖2 “502”協(xié)同染色法熒光顯現(xiàn)潛指紋示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 化合物NIR-LP聚集誘導(dǎo)發(fā)光性能

如圖3 所示，NIR-LP 在良溶劑CH3CN 中沒有熒光，但隨著CH3CN/水混合體系中不良溶劑水含量的增加，染料NIR-LP 在紫外燈的激發(fā)下逐漸發(fā)射出較強的紅色熒光。這可能是由于［10-11］：①NIR-LP 分子在良溶劑CH3CN中受到紫外燈的激發(fā)后，發(fā)生了激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移（ESIPT）現(xiàn)象，從而產(chǎn)生各種過渡態(tài)或共振結(jié)構(gòu)，這些過程為激發(fā)態(tài)衰減提供了一個弛豫通道；②當(dāng)往染料NIR-LP的CH3CN溶液中加入少量的水，其分子內(nèi)氫鍵受損，激發(fā)態(tài)質(zhì)子轉(zhuǎn)移（ESIPT）過程受到抑制，溶液體系發(fā)射出弱的黃綠色熒光，而當(dāng)向染料NIR-LP的CH3CN 溶液中加入大量的水時，染料NIR-LP會聚集形成納米顆粒，其分子內(nèi)的氫鍵得到恢復(fù)，從而在紫外燈的激發(fā)下，發(fā)射出較強的紅色熒光。這也說明了染料NIR-LP具有典型的AIE性質(zhì)，即在良溶液中沒有熒光或熒光較弱，而隨著不良溶劑的加入，熒光逐漸增強。

圖3 染料NIR-LP在不同體積比的CH3CN-水溶液中的熒光發(fā)射光譜圖（［NIR-LP］=0.25 mmol，λex = 430 nm）

3.2 化合物NIR-LP協(xié)同“502”熏顯技術(shù)顯現(xiàn)潛指紋性能

在現(xiàn)有的潛指紋顯現(xiàn)技術(shù)中，“502”熏顯技術(shù)是一種良好的固定指紋紋線并使?jié)撝讣y得以顯現(xiàn)的方法，其作用機理是潛指紋中存有的陰離子（如OH-等）作為親核試劑，引發(fā)“502”主體成分，即α-氰基丙烯酸乙酯，發(fā)生陰離子型聚合形成白色多孔高聚物，進而顯現(xiàn)潛指紋［12-13］?！?02”膠熏顯法操作簡單，顯現(xiàn)時間短，且顯現(xiàn)出的潛指紋紋線清晰，自面世以來已廣泛應(yīng)用于公安一線機關(guān)的刑事勘驗工作中。但是，由于被“502”熏顯后的潛指紋顏色呈現(xiàn)白色，因此該方法不利于淺色客體上潛指紋的顯現(xiàn)及后期的指紋鑒定。鑒于AIE分子在顯現(xiàn)潛指紋中有著顯著的優(yōu)勢，本實驗將AIE 染料與“502”熏顯技術(shù)協(xié)同處理潛指紋，以達到提高潛指紋成像質(zhì)量的目的。如圖4 所示，經(jīng)染料NIR-LP染色后所呈現(xiàn)的潛指紋熒光成像圖像，指紋紋路清晰，紋線和小犁溝的區(qū)分度得到顯著提高。此外，由于染料NIR-LP 能夠較好地減少背景熒光干擾，因此指紋細節(jié)部分及部分三級結(jié)構(gòu)（如汗腺孔、紋線邊緣特征等）也可清晰地被觀察到（見圖5）。

圖4 染料NIR-LP協(xié)同“502”熏顯技術(shù)對不同客體上潛指紋的顯現(xiàn)效果圖（所有熒光照片都是在365 nm紫外燈激發(fā)后拍照后所得）

圖5 指紋的三級結(jié)構(gòu)特征：紋線的汗腺孔“○”、邊緣特征和趨勢

為了更加客觀地分析指紋成像圖像的分辨率，利用Image J軟件對指紋成像圖像［見圖6（a1）、（b1）、（c1）］中白色線條處的7 組連續(xù)小犁溝與紋線進行了灰度值（G）測量，以半定量地驗證染料NIR-LP 對潛指紋的可視化增強能力。G0為最低灰度值，用G/G0為參數(shù)評估指紋成像圖像的分辨率［14］。G/G0在白線處變化明顯，表明指紋圖像上有小犁溝和紋線。未經(jīng)任何處理和直接用“502”熏顯的指紋圖像不容易被觀察清楚，其紋線和小犁溝處的灰度值變化無規(guī)律，白線處G/G0的最大值分別為3.46［見圖6（a2）］、2.75［見圖6（b2）］。而將“502”熏顯的指紋經(jīng)染料染色后，在紫外燈的激發(fā)下，得到橙黃色的指紋熒光成像圖像，指紋的紋路清晰，且其紋線和小犁溝處的灰度值變化較有規(guī)律，紋線和小犁溝可被清晰地分辨出來，G/G0的最大值為4.19［見圖6（c2）］。從SEM圖也可看出，相較于未經(jīng)任何處理的潛指紋，經(jīng)染料NIR-LP 協(xié)同“502”熏顯技術(shù)處理的潛指紋，由于“502”形成的多孔聚合物將指紋原位固定于客體上［15］，很容易分辨出紋線和小犁溝（見圖7）。這也進一步說明在該協(xié)同方法的增強作用下，將載有潛指紋的客體預(yù)先用“502”熏顯處理，有利于潛指紋的成像，指紋的可視化對比得到有效提高。

圖6 不同方法處理后指紋圖像及其灰度值分析

圖7 不同方法處理后指紋SEM圖像

3.3 AFIS平臺上的匹配測試

為了評估該協(xié)同方法顯現(xiàn)潛指紋的顯現(xiàn)效率，將所顯現(xiàn)的潛指紋成像圖像分別與標(biāo)準(zhǔn)紅色印泥指紋圖像通過AFIS 系統(tǒng)進行匹配分析。如圖8 所示，在玻璃、鋁板、鋼板和硬幣客體上分別有14、25、26 和30 個特征點與紅色印泥指紋的特征點相匹配。需要說明的是，當(dāng)兩枚指紋有8 ～16 個特征點相吻合時，就可以認定該兩枚指紋為同一人所遺留［16］。上述結(jié)果表明，經(jīng)該協(xié)同方法顯現(xiàn)的潛指紋可以有效地實現(xiàn)對個體的同一認定。

4 實驗設(shè)計與教學(xué)特色

4.1 實驗教學(xué)設(shè)計

本實驗適合公安院校刑事科學(xué)技術(shù)專業(yè)或法化學(xué)專業(yè)高年級的本科生，學(xué)生應(yīng)具備大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)、儀器分析和痕跡檢驗的專業(yè)基礎(chǔ)知識，及一定的實驗操作能力。本實驗共需8 學(xué)時（見表1），可3 人1 組，集中1天完成。實驗結(jié)束后，每組學(xué)生應(yīng)團隊協(xié)作，按照正式發(fā)表科技論文的撰寫要求（教師可以提供數(shù)篇參考文獻），提交科技論文或研究報告1 份。

圖8 不同客體（a1 ～d1）上的潛指紋經(jīng)協(xié)同方法顯現(xiàn)后的成像圖像與指紋庫中的印泥指紋（a2 ～d2）通過AFIS系統(tǒng)進行匹配分析

表1 實驗教學(xué)方案

4.2 教學(xué)特色

本實驗為綜合性化學(xué)實驗，以公安實際應(yīng)用為指導(dǎo)，將刑事科學(xué)技術(shù)與化學(xué)前沿技術(shù)相結(jié)合，有助于引導(dǎo)學(xué)生建立實驗思維，培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)和理論聯(lián)系實踐的能力。

（1）融合基礎(chǔ)理論課程，彌補傳統(tǒng)教學(xué)實驗的不足。傳統(tǒng)的本科教學(xué)實驗往往實驗內(nèi)容單一，且以單科課程設(shè)置為主，缺乏綜合性，不利于學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。聚集誘導(dǎo)發(fā)光材料協(xié)同“502”熏顯技術(shù)顯現(xiàn)潛指紋的綜合性實驗融合了大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)、儀器分析、痕跡檢驗等基礎(chǔ)理論課程，彌補了傳統(tǒng)本科教學(xué)實驗綜合性不足的缺陷。本實驗強化了學(xué)生的基本操作，如溶液的配制、熒光的測定、潛指紋的顯現(xiàn)及AFIS 平臺的操作等，實驗內(nèi)容涵蓋了刑事科學(xué)技術(shù)專業(yè)的核心教學(xué)內(nèi)容。

（2）將科研成果凝練成教學(xué)素材，實現(xiàn)“科研反哺教學(xué)”。由于傳統(tǒng)本科教學(xué)實驗內(nèi)容相對陳舊，與前沿科學(xué)技術(shù)脫節(jié)，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。而高校教師的科研項目往往聚焦科技前沿，且具備綜合性、創(chuàng)新性等特點，這也為綜合性實驗的設(shè)計提供了良好的素材資源?；诮處熐捌诘目蒲谐晒?，設(shè)計的以聚集誘導(dǎo)發(fā)光材料協(xié)同“502”熏顯技術(shù)顯現(xiàn)潛指紋的綜合性化學(xué)實驗，促使學(xué)生了解學(xué)科前沿知識和科研的一般流程，培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)，以期提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。同時，也為將教師的科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容作一積極嘗試，實現(xiàn)“科研反哺教學(xué)”的目的。

（3）“研賽融合”，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。近年來，教育部出臺了相關(guān)政策文件引導(dǎo)高校教師組織學(xué)生參加學(xué)科競賽，實現(xiàn)“以賽促教，以賽促學(xué)”，以此激發(fā)大學(xué)生的興趣和潛能，培養(yǎng)大學(xué)生的團隊協(xié)作意識和創(chuàng)新精神［1］。2019 年，為培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐能力及推動我國高等學(xué)校實踐教學(xué)改革，教育部高等學(xué)?；瘜W(xué)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會、高等學(xué)校國家級實驗教學(xué)示范中心聯(lián)席會和中國化學(xué)會聯(lián)合設(shè)立了全國大學(xué)生化學(xué)實驗創(chuàng)新設(shè)計競賽［17］。我院刑事科學(xué)技術(shù)專業(yè)的3 位學(xué)生基于此教學(xué)實驗組成的“尋紋溯源”團隊參與了第二屆該項賽事（華東賽區(qū)）的競賽，并獲得了二等獎的成績。這也說明，基于“研賽融合”的教學(xué)模式，我院在提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和專業(yè)綜合能力上取得了一定的成效。

5 結(jié) 語

以教師的前期科研成果為基礎(chǔ)，將其優(yōu)化并移植至本科教學(xué)實驗中，以期達到“科研反哺教學(xué)”的目的。本實驗圍繞聚集誘導(dǎo)發(fā)光性能的研究、潛指紋顯現(xiàn)研究及在自動指紋識別系統(tǒng)上的匹配測試三方面內(nèi)容，設(shè)計成綜合教學(xué)實驗，將化學(xué)學(xué)科前沿領(lǐng)域與公安實踐相結(jié)合，從而實現(xiàn)科學(xué)研究與實驗教學(xué)相統(tǒng)一。本實驗的開展，可讓學(xué)生接觸到學(xué)科前沿知識，同時也可有效地將學(xué)生所學(xué)過的基礎(chǔ)理論課程進行融合，提升他們的綜合素質(zhì)，為服務(wù)高質(zhì)量人才培養(yǎng)、服務(wù)公安實戰(zhàn)奠定基礎(chǔ)。