环糊精修饰g-C3N4荧光纳米材料的制备及在汗潜手印显现中的应用

张凌燕，刘 艳

(1.西南政法大学刑事侦查学院, 重庆 401120; 2.西南政法大学司法鉴定中心, 重庆 401120)

0 引言

犯罪现场遗留的手印可为侦破案件提供线索。在显现潜手印的方法中粉末显现法使用较多，目前实务工作中使用的粉末均为金属材料，对人体危害较大，因此，寻找显现效果好且适用范围广的新材料是法庭科学工作者的研究方向。近年来具有特殊结构或性能的材料，如纳米材料、荧光材料及磁性材料等在生物、医药、化工等领域展现出其独特的优势，在法庭科学领域的应用研究也逐渐增多[1,2]。半导体荧光量子点材料具有激发波长范围宽、发射波长范围窄且对称的特点，同时发射波长可以通过量子点的组成和大小来控制，如CdS，CdSe，CdTe等[3-5]；一些贵金属纳米材料因其稳定的光物理性质、高生物相容性、低毒性已被用于手印显现[6-9]。但是，半导体荧光量子点材料毒性较大，贵金属纳米材料制备方法复杂、成本高，故这两种荧光纳米材料难以实现产业化应用。

近年来碳纳米材料因来源丰富、绿色环保而成为研究热点[10-11]，其中半导体纳米荧光材料—碳化氮(g-C3N4)具有很高的研究及应用价值[12]。g-C3N4是结构中仅含C与N原子的一种聚合物半导体纳米材料，通常由尿素、三聚氰胺或二氰二胺等氮源丰富的有机物作为前驱体，采用气相沉积法[13-14]、溶剂热法[15]及高温缩聚法[16-17]等方法制备。g-C3N4材料具有制备方法简单、化学稳定性高、不含金属、绿色无毒、生物相容性好及易于修饰等优点。g-C3N4材料广泛用于检测领域，如Biechele-Speziale J等用高温缩聚法制备了g-C3N4纳米探针并用于汞离子和双酚A的检测[18]；RahbarN等使用高温缩聚法将g-C3N4纳米探针用于铬的检测[19]。此外，对g-C3N4材料进行修饰后能够拓宽其应用领域，如Cheng C等人制备了WO3/g-C3N4荧光纳米材料并作为催化剂制备氢气[20]；Aghdam S M等制备了BiOI-BiOCl/g-C3N4荧光纳米材料用于光催化降解水中染料污染物[21]；Sadjadia S.等制备了Pd@HNTs-CDNS-g-C3N4荧光纳米材料并用于有机合成反应[22]。然而，至今未有关于g-C3N4荧光纳米材料在法庭科学领域中应用的报道。

本文使用三聚氰胺为前驱体，通过高温缩聚法制备g-C3N4荧光纳米材料，并使用3种环糊精超分子对其进行修饰，环糊精作为一种天然、绿色的低聚糖，在材料修饰领域有着广泛的应用。实验中分别选取环糊精(β-CD)、2-羟乙基环糊精(HE-β-CD)及2-羟丙基环糊精(HP-β-CD)对g-C3N4荧光纳米材料进行修饰，研究β-CD-g-C3N4、HE-β-CD-g-C3N4及HP-β-CD-g-C3N43种材料的荧光性能。通过傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)、环境扫描电镜(FESEM)、透射电镜(TEM)、紫外光谱仪(UV-Vis)、荧光光谱仪(PL)及ZETA电位仪对材料的结构、光学性质及表面电位进行了表征。结果表明，g-C3N4荧光纳米材料使用3种环糊精修饰后荧光强度均提高。将制备的材料用于多种非渗透客体上汗液手印的显现，包括普通客体(载玻片、铁架台面、黑色磨砂化学实验台面、无色透明塑料表面、蓝色透明塑料表面、黑色皮革表面)和复杂客体(拼色花纹瓷砖、口罩塑料包装和书本封面表面)，并与市售的黄色荧光粉及红色荧光粉的效果效果进行对比，结果表明制备的g-C3N4、β-CD-g-C3N4、HE-β-CD-g-C3N4及HP-β-CD-g-C3N4荧光材料对所选的几种客体上的汗潜手印均有良好的显现效果，尤其是对于黑色粗糙皮革表面汗潜手印的显现效果明显优于市售粉末。

1 实验部分

1.1 实验试剂与仪器

试剂：三聚氰胺(C3H6N6)(分析纯、福晨化学试剂有限公司)、尿素(CO(NH2)2)(分析纯、广东省化学试剂工程技术研究开发中心)、无水乙醇(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)、环糊精(β-CD、HE-β-CD、HP-β-CD，分析纯，Harveybio试剂公司)、市售红色和黄色荧光粉末(北京龙昊警用器材有限公司的勘查箱中的手印显现材料)、去离子水。

仪器：箱式马弗炉(SX2- 2.5- 10N，上海一恒科学仪器有限公司)、电子天平(FA2104，上海横平科学仪器有限公司)、加热磁力搅拌器(ZNCL- T500，河南爱博特科技发展有限公司)、电热鼓风干燥箱(101- 1A，天津市泰斯特仪器有限公司)、循环水式多用真空泵(SHZ- D(Ⅲ)，上海秋佐科学仪器有限公司)、氧化铝坩埚、抽滤瓶、烧杯、量筒等、多波段光源(MCS- 400Cε，Jobin Yvoh，U.S.A.)、相机(D3100，佳能)、傅里叶变换红外光谱仪(FT- IR，IRPrestige 21，日本岛津公司)、X射线粉末衍射仪(XRD，Rigalcu，日本Jasco)、环境扫描电子显微镜(FESEM，Quanta 200，荷兰FEI公司)、透射电子显微镜(TEM，JEM- 2100，日本Jasco)、紫外- 可见吸收光谱(UV- vis，UV- 8000，日本日立有限公司)、荧光分光荧光计(PL，Jasco FP- 6500，日本Jasco)、Zeta电位仪(ZEN3690，美国Malvern)。

1.2 g-C3N4荧光材料的制备

利用高温缩聚法一步合成g-C3N4荧光纳米材料。称取一定量三聚氰胺放入研钵进行研磨，之后转移入氧化铝坩埚，将坩埚置于马弗炉中。设置马弗炉条件：初始温度30 ℃，以3 ℃/min的速度升至430 ℃，反应5 h后自然降温。将得到的产物分别用去离子水、无水乙醇清洗3次，超声并进行干燥，最终得到淡黄色材料。

β-CD、HE-β-CD、HP-β-CD修饰g-C3N4材料的制备过程如图1所示(以β-CD-g-C3N4的合成为例)。称取0～0.1 g(0、0.025 g、0.05 g、0.1 g，质量分数分别为0、20%、33.3%、50%)β-CD于6 mL混合液(混合液为16.67 mg/mL的g-C3N4溶液，溶剂为3 mL去离子水加3 mL乙醇)，在25 ℃下搅拌5 h，超声0.5 h，离心收集产物，用去离子水和无水乙醇清洗3次，真空60 ℃下干燥12 h。HE-β-CD-g-C3N4及HP-β-CD-g-C3N4的合成方法与β-CD-g-C3N4的合成方法相同。

图1 β-CD-g-C3N4荧光材料的制备过程

1.3 g-C3N4荧光材料的表征

通过FT- IR对材料进行结构分析，采用KBr压片法，波长扫描范围为4 000～400 cm-1；采用XRD分析材料晶型，X射线源为D/Max- 3c Cu Ka (36 kV，30 mA), 扫描速率为8°/min，角度为10°～70°；借助FESEM及TEM对材料进行形貌分析；UV- Vis及PL是用于分析材料的光学性质；将材料分散于去离子水中，利用Zeta电位仪测量材料的表面电位。

1.4 g-C3N4荧光材料对汗潜手印的显现与固定

由于指纹在显现时个体之间存在明显的差异，为保证实验的科学与普遍适用性，实验中邀请5名志愿者(4名男生，1名女生)参与实验，为保证汗液充足，志愿者每次戴上新的PVC手套3 min，在捺印过程中保持手指力度适中，分别在不同客体(载玻片、铁架台、磨砂化学实验台面、无色透明塑料、蓝色透明塑料、一次性口罩塑料包装袋、花纹瓷砖和书本封面上)上捺印手印。捺印后使用制备的4种材料及市售的两种荧光粉末分别进行刷显，在黑暗环境下借助多波段光源观察显现效果，调整多波段光源的波段至手印纹线与客体背景对比度最强。经过测试确定最佳条件：g-C3N4等4种荧光材料最佳照射波段为365 nm，佩戴橙色护目镜进行观察，借助橙色滤光片或者直接用相机进行拍照固定；黄色荧光粉末最佳照射波段为365 nm，佩戴黄色护目镜进行观察，借助黄色滤光片进行拍照固定；红色荧光粉末最佳照射波段为415 nm，佩戴红色护目镜进行观察，借助红色滤光片进行拍照固定。

2 实验结果与分析

2.1 g-C3N4荧光材料的结构分析

图2 g-C3N4、β-CD-g-C3N4、HE-β-CD-g-C3N4及HP-β-CD-g-C3N4荧光材料的FT- IR图(左)与XRD图(右)

图3 g-C3N4材料的SEM图(左)和TEM图(右)

2.2 g-C3N4荧光材料的形貌分析

通过FESEM和TEM对g-C3N4荧光材料的微观形貌进行分析，如图3所示。左图为g-C3N4的FESEM图，从图中可以看出经过高温热聚法得到的是团聚状的g-C3N4材料。右图为g-C3N4材料的TEM图，从图中可以看出g-C3N4具有片层状结构，形状不规则且厚度不均，且TEM下呈现出接近透明状态，说明超声条件下可将材料厚度变薄，成为纳米材料。g-C3N4片层状纳米材料可增加材料的吸附性力。

2.3 g-C3N4荧光材料的ZETA电位及粒径分析

分别取0.5 g的g-C3N4、β-CD-g-C3N4、HE-β-CD-g-C3N4及HP-β-CD-g-C3N44种荧光材料分散于去离子水中，超声0.5 h后测量材料的ZETA电位。图4表面4种材料的表面电位均为负电，且经过修饰后的β-CD-g-C3N4、HE-β-CD-g-C3N4及HP-β-CD-g-C3N4与g-C3N4荧光材料相对比，负电增加，从而提高了材料对于正电性物质的吸附力。

图4 g-C3N4、β-CD-g-C3N4、HE-β-CD-g-C3N4及HP-β-CD-g-C3N4荧光材料的ZETA电位图

2.4 g-C3N4荧光材料的光学性质分析

配制浓度为5 mg/mL的材料分散液。图5展示了g-C3N4与β-CD修饰g-C3N4荧光材料的UV- Vis吸收光谱图(左)及荧光发射光谱图(右)。从紫外光谱图可以看出4种材料均在340 nm的位置有吸收。借助荧光光谱仪来测量材料的激发及发射光谱，g-C3N4材料荧光光谱的最佳激发波长为365 nm，最佳发射波长为440 nm。由荧光发射光谱图可见，在g-C3N4中掺入β-CD、HE-β-CD或者HP-β-CD后能够显著增强荧光性。

图5 g-C3N4, β-CD-g-C3N4, HE-β-CD-g-C3N4及HP-β-CD-g-C3N4荧光材料的紫外吸收光谱及荧光发射光谱图

2.5 β-CD-g-C3N4荧光材料中β-CD质量分数对手印显现效果的影响

使用3种β-CD修饰g-C3N4后得到的材料荧光性能均得到了提高。以β-CD-g-C3N4荧光粉末为研究对象，考察不同β-CD添加量对于β-CD-g-C3N4荧光性能的影响以及手印显现效果的影响。表1为β-CD-g-C3N4荧光材料中掺杂入不同质量分数β-CD后对于载玻片、铁架台面、黑色磨砂实验台面、无色透明塑料表面、蓝色透明塑料表面及黑色皮革表面上汗潜手印显现效果的影响。结果表明随着β-CD的掺入及质量分数的提高，材料在手印纹线上的吸附量逐渐增加，手印纹线与客体的对比度增强，β-CD质量分数提高到33.3%时，显现的纹线最清晰；但当β-CD的质量分数继续提高时，显现效果开始变差，出现手印纹线的相互粘连，导致有些细节特征被遮盖，这是因为β-CD加入g-C3N4材料中后，β-CD-g-C3N4的颗粒尺寸和吸附性发生变化。因此，在通过掺杂的方式优化材料性能时需要考察掺杂剂质量分数的影响。

2.6 g-C3N4荧光材料对6种普通客体汗潜手印的显现效果

考察g-C3N4等材料对载玻片、铁架台面、黑色磨砂实验台面、无色透明塑料表面、蓝色光滑塑料表面及黑色皮革表面6种普通客体上汗潜手印的显现效果，并与市售黄色荧光粉及红色荧光粉刷显效果进行对比，结果如表2所示。图6展示了HP-β-CD-g-C3N4荧光材料对黑色磨砂实验台面、无色透明塑料表面及黑色皮革表面的汗潜手印显现效果图，并分别与g-C3N4、黄色荧光粉末、红色荧光粉末的显现效果进行对比。

结果表明g-C3N4粉末对载玻片、铁架台面、黑色磨砂实验台面、无色透明塑料表面、蓝色光滑塑料表面及黑色皮革表面的汗潜手印显现效果均比较差，手印纹线呈现出部分间断的状态，这是因为g-C3N4粉末颗粒较大，导致荧光性强度和吸附性均较弱，因此所显现的手印不清晰。经过3种环糊精修饰后的材料荧光强度提高，对选取的6种客体上汗潜手印显现效果均提高，呈现出手印纹线连贯性高、细节特征清晰、手印纹线与背景对比度高的特点。分析其原因，当g-C3N4经过环糊精修饰后，材料吸附性增强，因此手印纹线的连贯性增强。而材料的荧光强度提高使得手印纹线与客体背景的对比度提高，细节特征清晰度也提高。与市售的黄色和红色荧光粉末显现效果相对比，实验中制备的材料具有显现效果好、明显适用范围更广的特点。值得强调的是β-CD-g-C3N4荧光材料对黑色皮革表面上的汗潜手印具显现效果明显优于市售粉末，效果如图7所示。

表2 5种材料对6种普通客体上汗潜手印显现效果对比

(a1，a2及a3为HP-β-CD-g-C3N4与g-C3N4粉末显现手印效果对比图；b1，b2及b3为HP-β-CD-g-C3N4与市售黄色荧光粉末显现手印效果对比图；c1，c2及c3为HP-β-CD-g-C3N4与市售红色荧光粉末显现手印效果对比图；a1，b1及c1客体为黑色磨砂实验台面；a2，b2及c2客体为无色透明塑料表面；a3，b3及c3客体为黑色皮革表面)图6 HP-β-CD-g-C3N4与其他粉末显现手印效果对比图

由图7可见，从显现效果来看，β-CD-g-C3N4荧光粉末显现的手印纹线连贯性强、手印纹线与客体背景反差大、细节特征清晰度高，从图中可以清晰地分辨出起点、终点、分歧、结合、小棒等细节特征，而市售的黄色及红色荧光粉末显现的手印纹线连贯性差、细节特征不清晰。分析其原因是皮革表面花纹深，有很多的沟壑，容易造成粉末落入皮革本身的纹线内而造成手印纹线的断裂，无法表现出完整的细节特征，但是β-CD-g-C3N4荧光粉末吸附能力适中，并且由于有机基团的加入大大增强了材料与手印有机物质之间的吸附力，使得纹线清晰。

1.终点 2.起点 3.结合 4.小棒 5.终点 6.终点 7.结合 8.分歧图7 β-CD-g-C3N4荧光粉末显现黑色皮革表面汗潜手印的细节特征图

2.7 HP-β-CD-g-C3N4荧光材料对3种复杂背景客体上的显现效果

HP-β-CD-g-C3N4荧光材料对普通客体上的汗潜手印具有非常好的显现效果。本文进一步将制备的HP-β-CD-g-C3N4荧光材料用于3种复杂客体上汗潜手印的显现，包含拼色磨砂材质带花纹的瓷砖、塑料材质的口罩包装袋表面及书本封面3种客体。结果发现HP-β-CD-g-C3N4荧光材料对这3种不同材质客体上的汗潜手印也有很好的显现效果，如图8所示，图中第一行为自然光下拍摄的客体图片，第二行是使用HP-β-CD-g-C3N4荧光材料显现的手印效果图。结果显示该材料对于复杂花纹客体上的手印也具有很好的显现效果，充分证明了β-CD-g-C3N4荧光材料在手印显现领域的巨大潜力。

图8 HP-β-CD-g-C3N4荧光材料对3种复杂客体上汗潜手印的显现效果图(a客体为拼色花纹瓷砖，b客体为口罩塑料包装，c客体为书本封面表面)

3 结语

当前国内外对于汗潜手印的显现研究成果不断增多，但是难点在于如何实现批量生产且价格低廉、危害性小的材料。本文通过简单的固相反应法得到无金属的g-C3N4荧光材料，并使用3种环糊精对其进行修饰而得到β-CD-g-C3N4、HE-β-CD-g-C3N4与HP-β-CD-g-C3N4荧光粉末，从而提高材料的荧光强度和吸附力。制备的荧光材料不仅可适用于单一背景客体手印的显现，对复杂背景客体上汗潜手印也具有优良的显现效果，有望实现产业化应用。