多色荧光铜纳米簇/淀粉复合物的制备及在手印显现中的应用

关键词 铜纳米簇；荧光；潜在手印；手印显现；法庭科学

手印是人类手掌面皮肤触摸物体时留下的印痕，能够反映与物体接触的皮肤表面的乳突花纹形态[1]。因为乳突花纹具有终身基本不变的稳定性，并且在一定区域内的乳突花纹所包含的细节特征的组合具有唯一性，所以手印可以用于人身同一认定。犯罪现场遗留的手印多是由皮肤与物体之间发生无色物质（如汗液、皮脂等）转移形成的，仅凭肉眼几乎观察不到，故被称为潜在手印，采用适当的方法将其转变为可见手印是现场勘查的一项重要任务。在诸多手印显现技术中，粉末法是显现非渗透性客体表面新鲜手印最常用的方法[2]，可以利用吸附于手印纹线的指纹粉末与客体背景之间的光学差异显现潜在手印。因此，具有光致发光性质的指纹粉末具有明显优势。目前，基于半导体量子点[3-4]、荧光碳点[5-7]、钙钛矿纳米晶[8-9]等纳米发光材料的荧光指纹粉末的研究已成为化学、材料和法庭科学领域的热点。

金属纳米簇通常由包含数个到数百个原子的金属核和外围有机包覆配体组成[10]，因其尺寸接近电子的费米波长而表现出类分子性质，如分立的电子能级带来的光致发光特性[11]，是颇具应用前景的新型纳米发光材料。在手印显现应用中，金纳米簇（AuNCs）、银纳米簇（AgNCs）和铂纳米簇（PtNCs）等贵金属纳米簇引起了研究者的关注[12-13]。基于AuNCs 的荧光指纹粉末研究相对较多，可将配体保护的AuNCs干燥成粉末[14-15]，也可将AuNCs 与硅酸盐[16-17]、氧化物[18-20]等结合形成复合粉末，显现的手印大多在365 nm 紫外光激发下发出橙色至红色荧光。类似地， AgNCs 也能作为荧光指纹显现剂，如Ran 等[21]通过DNA-AgNCs 和核酸适配体识别目标分子实现了手印荧光成像。也有研究将AgNCs 与氧化物[22]、金属有机框架[23]等结合得到荧光指纹粉末。在基于PtNCs 的荧光指纹粉末方面， Huang 等[24-25]通过原位生长和静电吸附制备了Fe₃O₄@PtNCs 磁性荧光粉末，显现的手印在415和465nm 激发光下分别发出橙红色和红色荧光。

铜纳米簇（CuNCs）具有与贵金属纳米簇类似的光学性质[26]，而且原料廉价无毒、荧光连续可调，在许多应用中被认为是贵金属纳米簇的有力替代物。利用CuNCs 显现手印的研究目前主要涉及调节荧光发射[27-29]和增强稳定性[30]，但是存在粉末制备流程复杂、使用范围受限等问题。此外，近年来关于手印显现质量的研究表明，荧光指纹粉末的发光颜色对显出手印图像对比度有重要影响[31]。本研究基于CuNCs 荧光可以覆盖整个可见光区的特性，采用简单高效的方法制备多色荧光CuNCs 溶液，再分别与淀粉基质复合，得到蓝色（B）、绿色（G）和橙色（O）荧光CuNCs/淀粉复合物，分析了不同客体表面显现手印的荧光图像，考察了这些荧光指纹粉末在手印显现应用中的适用性（图1）。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

JEM-F200 透射电子显微镜（日本JEOL 公司）；Sigma 300 扫描电子显微镜（德国ZEISS 公司）；ESCALAB 250Xi X 射线光电子能谱仪和Nicolet iS20 傅里叶变换红外光谱仪（美国Thermo Scientific 公司）；UV-2600 紫外-可见分光光度计（日本Shimadzu 公司）；Cary Eclipse荧光光谱仪（美国Agilent 公司）。

CuSO₄（分析纯）、Cu（NO₃）₂·3H₂O（分析纯）、还原型L-谷胱甘肽（GSH， 98%）、3-巯基丙酸（3-MPA，98%）、抗坏血酸（AA，分析纯）、NaOH（分析纯）、无水乙醇（EtOH，优级纯）和玉米淀粉（试剂级）购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。实验用水为去离子水。

1.2 多色荧光CuNCs 和CuNCs/淀粉复合物的制备

1.2.1 B-CuNCs 溶液和B-CuNCs/淀粉复合物的制备

参考文献[32]的方法，以GSH为还原剂和配体制备B-CuNCs溶液。将0.2 mL 0.1 mol/L的CuSO4 溶液加入2.0 mL 0.1 mol/L的GSH溶液中，再加入8.0 mL 1.0 mol/L的NaOH溶液，以水定容至20 mL；将上述溶液在90 ℃恒温下剧烈搅拌9 h，得到的淡蓝色透明液体即为B-CuNCs溶液。移取0.078、0.312、1.25、5.0和20.0 mL B-CuNCs溶液，分别与1.0 mL 1.0 g/mL淀粉溶液混匀，在40 ℃电热鼓风干燥箱中烘干，得到不同配比的B-CuNCs/淀粉复合物，分别记为B-CuNCs/S₁、B-CuNCs/S₂、B-CuNCs/S₃、B-CuNCs/S₄ 和B-CuNCs/S₅。

1.2.2 G-CuNCs 溶液和G-CuNCs/淀粉复合物的制备

参考文献[33]的方法，以AA 为还原剂、3-MPA 为配体制备G-CuNCs 溶液。剧烈搅拌下，将1.0 mL0.1 mol/L 的Cu（NO₃）₂ 溶液逐滴滴入10.0 mL 0.1 mol/L 的AA 溶液中，室温下搅拌1 h；移取4.0 mL 上述溶液，加入0.2 mL 0.11 mol/L 的3-MPA 溶液，在室温下搅拌2 h；所得液体以12000 r/min 离心10 min，获得的黄绿色上清液即为G-CuNCs 溶液。移取0.312、1.25、2.5、5.0 和10.0 mL G-CuNCs 溶液，分别与1.0 mL 1.0 g/mL 淀粉溶液混匀，在40 ℃真空干燥箱中烘干，得到不同配比的G-CuNCs/淀粉复合物，分别记为G-CuNCs/S₁、G-CuNCs/S₂、G-CuNCs/S₃、G-CuNCs/S₄ 和G-CuNCs/S₅。

1.2.3 O-CuNCs 溶液和O-CuNCs/淀粉复合物的制备

参考文献[34]的方法，以GSH 为还原剂和配体制备O-CuNCs 溶液。将0.5 mL 0.05 mol/L的Cu（NO₃）₂溶液与2.5 mL 0.05 mol/L 的GSH 溶液混合于2.0 mL 水中，以1.0 mol/L NaOH 调至pH 5.0，所得透明液体即为O-CuNCs 水溶液；取5.0 mL 上述溶液，注入95.0 mL 乙醇，形成稳定的白色悬浊液，即为O-CuNCs的乙醇（95%， V/V）溶液。移取20.0、30.0、40.0、50.0 和60.0 mL O-CuNCs 乙醇-水溶液，分别与1.0 mL1.0 g/mL 淀粉水溶液混匀，在40 ℃真空干燥箱中烘干，得到不同配比的O-CuNCs/淀粉复合物，分别记为O-CuNCs/S₁、O-CuNCs/S₂、O-CuNCs/S₃、O-CuNCs/S₄ 和O-CuNCs/S₅。

1.3 潜在手印的显现与拍照

实验所用手印样本由3个自然人捺印，采集方法为标准的平面捺印法，承载手印的客体包括金属、合金、玻璃、瓷砖、木地板以及塑料制品等。将制得的CuNCs/淀粉复合物用作荧光指纹粉末，使用刷显法显现手印，显现手印先在自然光下用智能手机拍照；然后在暗室环境中，以YZ-SPL-13F 型多波段光源的365 nm 档位作为激发光源辐照显现手印，固定手机的相机参数并拍摄荧光手印；在相机镜头前依次加装450 nm 带通滤光片（450BP）、530 nm 带通滤光片（530BP）和580 nm 长波通滤光片（580LP），分别再次拍摄B-CuNCs/淀粉、G-CuNCs/淀粉和O-CuNCs/淀粉显现的手印。

2 结果与讨论

2.1 荧光CuNCs的形貌、组成与光学性质

2.1.1 荧光CuNCs的形貌

B-CuNCs、G-CuNCs 和O-CuNCs 的TEM 和高分辨透射电镜（HRTEM）图见图2。如图2A、2C 和2E所示，水溶液中分散的3种CuNCs微粒均呈球形且分散状态良好，粒径分别集中在（2.2±0.2）、（1.8± 0.2）和（6.0±1.5）nm。B-CuNCs 和G-CuNCs 微粒的HRTEM 图像分别如图2B 和2D 所示，微粒内部可以看到间距为0.21 nm 的晶格条纹，对应面心立方（fcc）Cu（111）晶面[35]，表明这些CuNCs 微粒核心结构的化学成分为金属铜。分散在95%（V/V）乙醇溶液中的O-CuNCs 微粒的TEM 图像如图2F 所示，虽然其形貌仍为球形，但粒径增大至约90 nm，说明乙醇是O-CuNCs 的不良溶剂，能够使O-CuNCs 在该溶液体系中发生明显聚集。

2.1.2 荧光CuNCs的组成

利用傅里叶变换红外（FTIR）光谱分析CuNCs 表面官能团的种类。真空干燥后， B-CuNCs 和O-CuNCs 均为近白色半透明固体，而G-CuNCs 为棕褐色粘稠液体，这可能与CuNCs 配体的物理性质有关。鉴于此，仅选取干燥后的B-CuNCs、O-CuNCs 以及其配体（GSH）进行测试，其FTIR 光谱见图3A～3C， B-CuNCs 和O-CuNCs 表现出与GSH 类似的红外吸收特性。值得注意的是， GSH 的FTIR 光谱中位于2524 cm^‒1 处的吸收峰对应S—H 键的伸缩振动[36]，而在B-CuNCs 和O-CuNCs的FTIR 光谱中并未出现此吸收峰，表明GSH 分子通过Cu—S 键与CuNCs 金属核的表面发生键合。

采用X 射线光电子能谱（XPS）分析CuNCs 的化学组成和元素价态。如图3D1～3F1 所示，在XPS 全扫描谱中， G-CuNCs 出现了C、O、S 和Cu 元素的特征峰， O-CuNCs 出现了C、O、N、S、Na 和Cu 元素的特征峰，这些元素来自CuNCs 的前驱体；虽然B-CuNCs 与O-CuNCs 的前驱体类似，但前者XPS 全扫描谱中未出现N、S 和Cu 元素的特征峰，是由于其前驱体中Na 元素相对含量高，导致上述3 种元素在B-CuNCs 中的含量低于检出限。基于此原因， B-CuNCs 的Cu 2p 高分辨谱（图3D2）中未出现Cu 2p峰。G-CuNCs 和O-CuNCs 的Cu 2p 高分辨谱（图3E2 和3F2）中，前者在932.7 和952.6 eV 有两个特征峰，后者在931.8 和951.7 eV 处有两个特征峰，结合能差值均为19.9 eV，对应Cu（0）的自旋轨道分裂峰Cu 2p_3/2 和Cu 2p_1/2；此外，在943.0 eV 附近未出现特征卫星峰，表明样品中不含Cu（Ⅱ）[37]。需要指出， CuNCs 金属核表面的铜与GSH、3-MPA 等含硫配体通过Cu—S 键结合，存在电荷转移使这些铜以Cu（Ⅰ）存在[38]，不过Cu（Ⅰ）结合能与Cu（0） 2p_3/2 非常接近[39]，无法在Cu 2p 高分辨谱中区分。综上， CuNCs 中铜元素整体价态很可能在0和+1 之间，由于富含Cu（Ⅰ）的结构会影响配体到金属-金属电荷转移过程，促进激子的辐射跃迁，能增强CuNCs 发光强度[40]。

2.1.3 荧光CuNCs 的光学性质

利用紫外-可见（UV-Vis）吸收光谱和荧光光谱表征CuNCs 溶液的光学性质。B-CuNCs 溶液、G-CuNCs 溶液和O-CuNCs 乙醇溶液的UV-Vis 吸收光谱、荧光激发及发射光谱分别如图4A～4C 所示，最大吸收波长（λ_Abs）、最大激发波长（λ_Ex）和最大发射波长（λ_Em）见表1。3种CuNCs 溶液在紫外区均表现出强的吸收特性；此外，最大激发与发射波长相距较远（分别为79、151 和297 nm），能有效避免CuNCs 自身对其发射光的再吸收。在自然光下呈现蓝色透明的B-CuNCs 溶液、黄绿色透明的G-CuNCs 溶液和白色浑浊的O-CuNCs乙醇溶液，在365 nm 紫外光下分别发出明亮的蓝色、绿色和橙色荧光。值得注意的是， O-CuNCs 水溶液在365 nm 紫外光下仅能发出微弱的淡红色荧光，结合TEM 测试结果，说明O-CuNCs乙醇溶液优异的发光性能源自不良溶剂引发的聚集诱导荧光增强效应（AIE）。

2.2 荧光CuNCs/淀粉复合物的光学性质与形貌

2.2.1 荧光CuNCs/淀粉复合物的光学性质

利用荧光发射光谱研究CuNCs/淀粉复合物的发光性能。在365 nm 紫外光激发下，不同组成的3 类CuNCs/淀粉复合物的荧光发射光谱如图5A～5C 所示，这些复合粉末的发射波长范围与相应的CuNCs 溶液相近，但是具体发光特性受CuNCs 种类以及CuNCs 与淀粉配比的显著影响。随着CuNCs 与淀粉配比增大， B-CuNCs/淀粉复合物的发射强度逐渐升高并趋近于一个极限，发射波长逐渐蓝移；G-CuNCs/淀粉复合物的发射强度先升后降，发射波长逐渐红移，并且发射光谱形状也发生了明显改变；O-CuNCs/淀粉复合物的发射强度同样先升后降，而发射波长没有明显变化。根据这些发射光谱计算得到的色度坐标见电子版文后支持信息图S1，综合考虑CuNCs/淀粉复合物粉末的发光强度和荧光颜色，分别选取B-CuNCs/S₅、G-CuNCs/S₄ 和O-CuNCs/S₄ 用作蓝色、绿色和橙色荧光指纹粉末， 365nm 紫外光下的荧光照片见电子版文后支持信息图S2。

2.2.2 荧光CuNCs/淀粉复合物的形貌淀粉、B-CuNCs/S5、G-CuNCs/S4 和O-CuNCs/S4 的扫描电子显微（SEM）形貌图像见图6。由图6A1～6D1 可见， CuNCs/淀粉复合物的形貌与淀粉类似，粉末微粒均呈不规则的多面体球形，未观察到明显团聚，说明复合物粉末微粒仍能保持良好的分散状态。如电子版文后支持信息图S3 所示，这些微粒的粒径分布在5～20 μm 范围内，并且主要集中在10～15 μm。更高放大倍率的SEM 图像如图6A2～6D2 所示，CuNCs/淀粉复合物微粒的表面形貌与淀粉略有不同：B-CuNCs/S₅ 微粒表面由薄膜状物质覆盖，G-CuNCs/S₄ 微粒表面相对光滑紧实， O-CuNCs/S₄ 微粒呈现磨砂状的粗糙表面。由此可知， CuNCs/淀粉复合物微粒的整体形貌源于淀粉微粒，而表面形貌则取决于CuNCs 的种类和聚集状态。

2.3 荧光CuNCs/淀粉复合物在手印显现中的应用

选取2个自然人在不锈钢表面捺印的6枚潜在手印，分别使用B-CuNCs/S₅、G-CuNCs/S₄ 和O-CuNCs/S₄进行显现，在365 nm 紫外光下直接拍摄，得到如图7A1～图7F1 所示的手印荧光照片，再配合相应的滤光片拍摄，得到如图7A2～7F2 所示的手印荧光照片。为探究光学滤光片对手印图像质量的影响，分别计算图7A1、7C1、7E1 以及图7A2、7C2、7E2 的RGB 直方图，结果见电子版文后支持信息图S4。透过相应的滤光片拍照，在较好地保留了来自粉末荧光的信号条件下，大幅削弱了其它颜色通道中的噪声；在手印荧光图像上表现为背景部分颜色变深、纹线部分色度更纯，既有效滤除了背景干扰，也增强了手印图像对比度。此外，为确定上述荧光CuNCs/淀粉复合物显现手印特征的实际效果，对其中1 个自然人手印的显现细节如图7A3、7C3 和7E3 所示，红框选区中的“分歧”和“错位”、蓝框选区中的“起点”和“小眼”、绿框选区中的“小眼”和“分歧”等细节特征（二级特征）清晰稳定；此外，对另1 个自然人手印的显现细节如图7B3、7D3 和7F3 所示，红框选区中用白线标示的“皱纹”（二级特征）、蓝框选区中用白圈标示的“汗孔”（三级特征，其形态和分布在手印中反映稳定性较差，因此3个选区中显出的汗孔数量存在差异）、绿框选区中用白圈标示的“小桥”（二级特征）同样清晰可见。综上， 3种荧光CuNCs/淀粉复合物粉末有较强的还原手印形态特征的能力。

为了验证B-CuNCs/S₅、G-CuNCs/S₄和O-CuNCs/S₄ 作为荧光指纹粉末的适用性，以其显现了由2 个自然人捺印在玻璃、瓷砖、木地板、PP 塑料、PET 塑料和铝合金等客体上的潜在手印，代表性的显现结果见图8。在自然光下拍摄的手印照片中，近白色的CuNCs/淀粉复合物附着在手印纹线上，使手印显现。但是，在观察部分手印的细节特征时，会受到客体背景颜色、图案或反光的干扰（图8B1、8D1、8H1 和8K1）。在365nm 紫外光下，配合相应滤光片拍摄的大多数手印照片能有效规避上述背景干扰，在较暗的背景上呈现出清晰的手印荧光图像。需要指出的是，相较于B-CuNCs/S₅， G-CuNCs/S₄ 对木地板具有更强的背景抑制能力（图8D2 和8H2）；PET 塑料在365 nm 紫外光下有很强的蓝色背景荧光，而透过相应滤光片拍摄G-CuNCs/S₄ 和O-CuNCs/S₄ 显现的荧光手印，可以在很大程度上削弱该背景的干扰（图8E2 和8I2）。因此，针对不同客体上的潜在手印，可以选用不同的荧光CuNCs/淀粉复合物，以获得最优的手印显现效果。

3结论

基于CuNCs 荧光性质易于调控的特性，在不同的水溶液体系中采用化学还原法合成了巯基配体保护的B-CuNCs、G-CuNCs 和O-CuNCs 溶液，分别将其与淀粉基质按一定配比复合，得到在365 nm 紫外光激发下发出蓝色、绿色和橙色荧光的CuNCs/淀粉复合物。这些粉末的微粒形貌与淀粉基质类似，呈不规则多面体球形，粒径集中在10～15 μm；发光性质与相应的CuNCs 溶液相近，同时会受到CuNCs 与淀粉配比的影响。此外，由于淀粉基质对CuNCs 的分散作用和巯基配体对铜金属核的保护作用，环境条件下CuNCs/淀粉复合物具有良好的粉体状态和稳定的光学性质，有利于其在手印显现中的应用。根据发光强度和荧光颜色，选取3 种荧光CuNCs/淀粉复合物显现潜在手印，考察其还原手印细节特征的能力以及显现不同客体表面潜在手印的效果。结果表明，这些合成简单、成本低、荧光多色的CuNCs/淀粉复合物可作为新型荧光指纹粉末用于刑事技术领域。鉴于现场遗留手印的客体种类繁多，后续将进一步探究蓝色、绿色和橙色荧光CuNCs/淀粉复合物应对不同背景干扰的性能差异，明确其作为荧光指纹粉末的适用范围。

致谢 感谢科学指南针实验室（www.shiyanjia.com）提供的物理表征技术支持。

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