实验中使用的试剂包括: 曲拉通(Triton X-100), 化学纯, 购于国药集团化学试剂公司; 浓氨水(35%)、 无水乙醇、 环己烷、 N, N-二甲基甲酰胺(DMF)均为分析纯, 购于北京市通广精细化工公司; 正己醇、 丁二酸酐均为分析纯, 购买于天津市光复精细化工研究所; 正硅酸乙酯(TEOS)、 3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES, KH550)和氯化三(2, 2’ -联吡啶)钌(Ⅱ )· 六水化合物(RuBpy)均为色谱纯, 分别购于Sigma-Aldrich公司和上海阿拉丁生化科技股份有限公司; 稀盐酸(0.5 mol· L^-1)为实验室自制。

本研究所用仪器设备包括: 紫外-可见分光光度计(Cary 50, 美国Varian公司); 分子荧光光谱仪(SENS-9000, 北京卓立汉光仪器有限公司); Zeta-DLS测试仪(Zetasizer Nano ZS, 英国Malvern公司); 红外光谱仪(Nicolet-6700, 美国Thermo Fisher公司); pH计(S210, 瑞士Mettler公司)、 微距镜头数码相机(D90, 日本尼康公司); 375 nm便携式紫外光源(美国Tektite公司); 550 nm滤光片(沈阳汇博光学技术有限公司); 高速离心机(TGL-20B, 上海安亭科学仪器厂); 分析天平(CP224S, 德国Sartorius公司)。

为了准确控制产物粒径, 研究中采用改良的反相微乳液法制备纳米二氧化硅微球, 然后利用氨基硅烷化试剂制备氨基前驱体, 然后通过丁二酸酐与纳米二氧化硅氨基前驱体上氨基的反应, 可得到表面羧基化的纳米二氧化硅。

先量取75 mL环己烷、 18 mL乳化剂Triton X-100和18 mL助乳化剂正己醇加入到250 mL圆底烧瓶中, 控制转速在600 r· min^-1以上, 搅拌5 min以上, 至体系变为均匀的略带白色的透明微乳液体系。 随后, 加入4.8 mL(浓度分别为5, 10, 15, 20和25 mmol· L^-1)的RuBpy溶液, 保持转速分散30 min以上, 至体系变为透明的微乳体系时, 加入1 mL正硅酸乙酯, 搅拌3 min后加入1 mL浓氨水, 室温下反应16 h。

前驱体制备需要使用APTES, 在上述的纳米二氧化硅微乳体系中, 直接加入正硅酸乙酯200 μ L和3-氨基丙基三乙氧基硅烷400 μ L, 再加入650 μ L浓氨水, 在室温下继续搅拌反应24 h, 得到表面氨基化的纳米二氧化硅。 反应结束后加入25 mL无水乙醇破乳, 离心沉降得到粗产物, 用无水乙醇和去离子水分别洗涤三次, 产物干燥后放置在干燥器中保存。

称取200 mg氨基化前驱体到100 mL圆底烧瓶中, 加入N, N-二甲基甲酰胺20 mL, 磁力搅拌至悬浮态, 超声分散30 min。 在悬浮体系中加入10%的丁二酸酐DMF溶液50 mL, 室温下搅拌反应24 h。 产物离心分离后, 分别用无水乙醇和去离子水交叉洗涤三次, 即得到羧基功能化的纳米二氧化硅。

本研究通过紫外可见吸收光谱法考察纳米二氧化硅包覆以及表面功能化修饰对于材料吸收波段的影响; 使用傅里叶红外光谱法表征氨基和羧基对于产物的表面修饰情况。 动态光散射测试被应用于研究产物的水合粒径及其粒径分布, Zeta电位测试被用于评定不同修饰情况下纳米颗粒表面的带电性能和在水相中的分散性能。 荧光光谱法和显微分光光度法被用于表征产物的荧光性能和指印显现情况。

选取三名志愿者, 分别用香皂洗手, 在空气中干燥。 汗潜指印的收集过程为: 手部干燥15 min后, 分别在洁净的玻璃、 铝箔和高密度聚乙烯塑料表面捺印, 捺印后指印样本在空气中干燥5 min, 装入塑料盒密封保存。 油潜指印的收集过程为: 洁净且干燥的手部在额头上蹭上油脂, 分别在干净的玻璃、 铝箔、 聚乙烯塑料和聚丙烯表面捺印, 捺印后指印样本在空气中干燥5 min, 装入塑料盒密封保存。 陈旧指印样品分别保存时间为30天, 45天和半年。

由于指印显现效果为多因素影响结果, 所以论文选取显现液pH值、 浸泡时间和纳米悬浮液浓度等三个因素, 每因素设置三个水平(详见表1), 依据L₉(3⁴)正交试验设计表, 开展了9次系列实验, 综合考察影响指印显现效果的各项因素, 并最终确定理想的指印显现条件。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 指印显现条件正交试验表 Table 1 The orthogonal design of fingermark detecting 实验编号 pH值 稀释倍数 显现时间/min a 6.7 1倍 3 b 6.7 2倍 5 c 6.7 3倍 7 d 3.8 1倍 5 e 3.8 2倍 7 f 3.8 3倍 3 g 2.9 1倍 7 h 2.9 2倍 3 i 2.9 3倍 5

表1 指印显现条件正交试验表 Table 1 The orthogonal design of fingermark detecting

2.1.1 表面修饰

论文选择使用两步法, 在前期氨基修饰的基础上, 通过进一步的酰化反应, 最终实现对纳米二氧化硅颗粒的阴离子表面修饰, 其原因在于: 第一, 两步法合成羧基化纳米二氧化硅所使用的试剂属于通用型试剂, 有利于降低合成的成本; 第二, 两步法能够有效增加表面链段长度, 增强表面链段的捕集效果, 更有利于其与指纹残留物之间的吸附作用; 第三, 前期的氨解反应能够提高纳米颗粒的亲水性, 有利于改善纳米颗粒在水相中的分散性。 为了确定实验过程中每一

图1

Fig.1

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	图1 纳米SiO2颗粒的红外光谱 (a): 无修饰; (b): 氨基修饰; (c): 羧基修饰Fig.1 Infrared spectrogram of nano-silica (a): Without functionalization; (b): Amino functionalized; (c): Carboxyl functionalized

阶段的修饰效果, 论文使用红外光谱法对无修饰、 氨基修饰以及羧基修饰的纳米二氧化硅颗粒分别进行了表征。 其中, 图1(a)中1 041和1 203 cm^-1处的Si— O— Si反对称伸缩振动吸收峰以及3 375 cm^-1处Si— OH的伸缩振动吸收峰表明前期纳米二氧化硅产物的形成; 图1(b)中2 935和2 885 cm^-1处CH₂对称和不对称伸缩振动峰以及1 562 cm^-1处的N— H弯曲振动峰表明氨基修饰的完成; 图1(c)中1 651, 1 566以及1 280~1 250 cm^-1三个吸收峰表明仲酰胺结构的存在以及羧基修饰的完成。 由于化学法制备的二氧化硅表面含有大量的羟基, 所以对谱图解析造成了一定的困难。

2.1.2 电学性能

论文分别对纳米二氧化硅、 氨基前驱体和羧基化纳米二氧化硅的Zeta电位分布进行了检测。 实验结果表明(图2): 纳米二氧化硅颗粒表面带负电; 氨基前驱体颗粒表面带正电; 羧基化纳米二氧化硅颗粒表面带负电; 表面功能化后, 产物的Zeta电位峰值明显增加, 并且按照表面修饰的顺序发生了两次电性反转。 导致上述现象产生的原因可能为: 未经表面修饰的纳米二氧化硅颗粒表面带有大量的羟基, 能够发生微弱的电离, 从而使纳米颗粒带有一定量的负电荷; 氨基功能化之后, 颗粒表面的氨基能够吸附质子从而发生电性转换, 带上正电荷; 随后与丁二酸酐发生氨解反应, 实现表面羧基化, 颗粒表面再次发生电性转换, 重新带上负电荷。 与此同时, 由于氨基的质子化能力和羧基的电离能力均强于硅羟基, 表面负电荷密度远高于修饰前, 所以Zeta电位的峰值增加。 Zeta电位值的变化表明了纳米颗粒在水相中分散性的变化, 同性电荷密度越高, 在水相中的悬浮稳定性就越好。

图2

Fig.2

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	图2 纳米二氧化硅(黑)、 氨基修饰纳米二氧化硅(红)以及羧基修饰纳米二氧化硅(蓝)悬浮液的Zeta电位测试结果Fig.2 Zeta Potential distribution of SiO2 (black), amino functionalized SiO2 (red) and carboxylic functionalized SiO2 (blue)

2.1.3 光学性能

现有研究结果表明, RuBpy荧光染料可以被紧紧束缚在纳米二氧化硅结构中, 使产物带有特殊的荧光性能。 这种高效的“ 染色” 效率使RuBpy有别于传统的荧光染料, 并赋予纳米二氧化硅以更广泛的用途。 图3分别展示了纳米二氧化硅悬浮液和纯水(对照品)在自然光下[图3(a)]及长波紫外光条件下[图3(b)]的荧光对比。 如图3所示, 染料分子使得纳米二氧化硅在紫外光激发下产生了明亮的橙色荧光, 与背景之间形成明显的反差。

图3

Fig.3

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	图3 自然光(a)和375 nm紫外光下(b)掺杂钌联吡啶的纳米二氧化硅悬浮液(a)和纯水对照品(b)Fig.3 The nano SiO2 suspension (a) and water (b) under natural day light (a) and 375 nm UV light (b)

论文使用紫外可见吸收光谱法对羧基修饰RuBpy掺杂的纳米二氧化硅悬浮液(0.1 mg· mL^-1的)进行了测试。 由图4可知: 第一, 合成产物的最大吸收波长为452 nm, 并且对420~470 nm范围内的蓝紫光均具有较强的吸收作用; 第二, 对比RuBpy掺杂前后荧光染料的紫外可见吸收光谱可知, 纳米二氧化硅对于紫外光透明, 没有造成吸收峰明显的红移或者蓝移, 这表明二氧化硅的包覆对染料的结构没有明显影响; 第三, 由于纳米悬浮液具有丁达尔效应, 能对入射光造成较强的散射, 因此对于羧基修饰RuBpy掺杂的纳米二氧化硅材料进行后续指印显现应用时, 需要对母液进行较大倍数的稀释。

图4

Fig.4

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	图4 功能型纳米二氧化硅悬浮液(0.1 mg· mL-1)紫外可见吸收光谱Fig.4 UV-Vis spectrogram of functionalized nano SiO2 suspension (0.1 mg· mL-1)

功能型纳米材料的荧光性能来自于掺杂荧光染料。 为了确定制备纳米二氧化硅时最佳的染料掺杂浓度, 论文考察了5, 10, 15, 20和25 mmol· L^-1等5个染料掺杂浓度情况下合成产物的荧光强度。 如图5所示, 当激发波长为450 nm, 合成产物在520~750 nm范围内产生了较强的发射光谱; 当染料掺杂浓度为15 mmol· L^-1时, 发射波段的峰值达到最高。 由此可知, 在染料掺杂过程中, RuBpy与二氧化硅的结合存在一个饱和值。 在低于饱和值的情况下, 荧光强度随着浓度增加而增长; 高于饱和值之后, 除了一部分染料未能与二氧化硅结合之外, 高浓度的荧光染料还会导致荧光自猝灭现象的产生, 故而荧光强度会随着染料浓度增加而降低。 因此, 论文最终确定材料合成过程中掺杂染料的最佳浓度为15 mmol· L^-1。

图5

Fig.5

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	图5 不同浓度染料掺杂的功能型纳米 二氧化硅粉末荧光强度 Fig.5 Fluorescence intensity of functionalized nano silica particles doped by dye in different concentrations

2.1.4 粒径特征

纳米材料的粒径对于后期指印显现结果具有显著的影响。 一方面, 相对于微米尺度而言, 纳米尺度的材料会将指印纹线显现得更为细腻, 边缘特征清晰, 三级特征明显; 另一方面, 尺寸过小的纳米材料又会于无形之中提升指印显现试剂的成本。 因此, 针对需要显现的微米级的指印纹线特征, 数十至数百纳米的颗粒粒径是较为合适的。 论文使用动态光散射法(dynamic light scattering, DLS)分别测试了中性水相环境下无修饰纳米二氧化硅、 氨基前驱体和羧基修饰纳米二氧化硅悬浮液的DLS粒径。 DLS粒径测试是在水相中悬浮分散后, 颗粒表面双电层的半径, 因此会比颗粒在干燥状态下的实际粒径大。 实验结果表明(如图6所示), 未经修饰的纳米SiO₂的DLS粒径为91.3 nm; 经氨基表面修饰后, 产物的DLS粒径增加至105.7 nm; 后续经丁二酸酐羧基化后, 产物粒径进一步增至122.4 nm。 由此可知, 一方面, 纳米SiO₂颗粒表面的羟基首先被氨基替代, 随后通过氨解反应修饰为羧基, 功能型纳米材料的合成过程中粒径不断增大, 表面修饰过程对于纳米颗粒的水合粒径有较明显的影响; 另一方面, 对于本研究过程中的合成目标产物, 其粒径适中处于理想的纳米尺度, 适宜后续指印显现中的应用。

图6

Fig.6

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	图6 纳米二氧化硅(黑)、 氨基修饰纳米二氧化硅(红)以及羧基修饰纳米二氧化硅(蓝)悬浮液动态光散射粒径测试结果Fig.6 DLS particle size distribution of SiO2 (black), amino functionalized SiO2 (red) and carboxylic functionalized SiO2 (blue)

论文开展了三因素三水平的正交试验。 图7中的9个图片分别为9个正交试验设计条件下的指印显现效果。 总体而言, 在(a), (b), (c)正交试验条件下的指印显现效果比在其他正交试验条件下的指印效果差。 这意味着, 在三个考察因素中, 溶液pH值对于显现效果的影响最为显著, 而且指印显现效果随着悬浮体系pH值降低而逐渐提升。 导致上述实验结果的主要原因在于: 第一, pH值对于客体表面的指纹残留物质子化程度至关重要, 质子化程度越高, 纳米颗粒表面的阴离子与指印纹线的结合力越强, 背景干扰性吸附相对减小, 指印纹线与客体背景之间的反差增大; 第二, H⁺浓度增加时, 纳米颗粒表面的双电层能够被显著压缩, 悬浮体系中纳米颗粒的分散性降低, 更容易发生沉积, 纳米材料与指纹残留物之间的亲和速度提升。 除此之外, 其他两个考察因素对于显现效果的影响相对微弱, 其主要原因在于: 第一, 指印显现试剂的配置本身就是属于浓度较低的范围, 所以稀释倍数对于显现效果的影响不够显著; 第二, 论文基于静电吸附作用实现对潜在指印的显现, 静电吸附过程本身可以在较短的时间里形成动态平衡, 所以在论文设置的显现时间范惜之内基本都能达到有效吸附。 需要指出的是, 悬浮液的稳定性略差, 无法形成和真溶液体系一样的静电吸附平衡, 显现时间过度延长会导致纳米颗粒在指印纹线表面过度堆积的结果。 论文最终确定的最佳显现条件为[条件(i)]: pH值2.8, 稀释倍数为2倍, 显现时间5 min。

图7

Fig.7

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	图7 指印显现正交试验结果对比Fig.7 Fingermark detecting results of the orthogonal design

论文使用捺印在玻璃表面的新鲜指印样品对新合成的材料以及优化的显现条件进行了应用性探索。 分别在自然光[图8(a)]、 375 nm长波紫外光[图8(b)和(c)]等光学条件下对显现后的指印效果进行了观察。 如图8所示, 总体而言, 基于新合成的功能型纳米材料的指印显现试剂能够较为理想地与指印纹线结合, 显现纹线较为完整、 细腻、 边缘特征清晰、 汗孔等三级特征显著, 荧光显现效果理想, 紫外光下观察时纹线与背景之间的反差较大。

图8

Fig.8

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	图8 玻璃表面指印样品的显现效果 (a): 自然光下的观察效果; (b): 375 nm紫外光的观察效果; (c): 375 nm紫外光下局部放大的观察效果Fig.8 Detail characteristicsof the detected fingermark deposited on glass (a): Under daily light; (b): Under 375 nm UV light; (c): Minutiae under 375 nm UV light