碳點是一類尺寸在1~10 nm的以碳為主要元素的納米粒子，因其合成原料廣泛、生物安全性高、熒光信號強、光學性質(zhì)穩(wěn)定等眾多優(yōu)點在熒光分析檢測領域展現(xiàn)出美好的前景。潛指紋是人的手指分泌物留在固體接觸面上靠肉眼難以分辨的痕跡，需要經(jīng)過物理化學處理來增強成像的效果。把熒光碳點應用于潛指紋的增強成像充分發(fā)揮了碳點自身的優(yōu)勢，最近幾年的研究已經(jīng)取得一系列進展。

近日，復旦大學熊煥明教授課題組在《發(fā)光學報》發(fā)表了題為“熒光碳點在指紋檢測中的應用”的綜述文章，第一作者是碩士研究生劉俊。

圖1：指紋檢測藝術(shù)效果圖

本文介紹了潛指紋常見的顯現(xiàn)方法，綜述了碳點的合成制備、發(fā)光機理、在潛指紋檢測中的應用、成像機制和功效比較，展望了碳點在潛指紋檢測中的不足之處和未來的發(fā)展方向，為相關(guān)領域的研究工作提供了重要的參考。

1. 引言

碳點（CDs）作為一種新型的發(fā)光材料，其尺寸主要在1~10 nm之間，主要元素是碳，對生物體的毒性以及環(huán)境的危害幾乎可以忽略不計。與量子點、熒光染料等納米熒光材料相比，碳點發(fā)光性能強、光穩(wěn)定性好、合成方法簡單、原料豐富且低廉，以其眾多的優(yōu)點和潛在的應用吸引了大量科研工作者廣泛的關(guān)注和研究。2015年，F(xiàn)ernandes及其同事報道了在納米級碳點粉末中混合大量的二氧化硅、二氧化鈦、鋰皂石、白色指紋粉來得到均勻分散、超低濃度的固相碳點，并首次將其應用于潛指紋增強即犯罪現(xiàn)場的指紋檢測。此后，研究者合成了不同摻雜類型的碳點，發(fā)展了包括粉末法、噴霧法、小微粒懸浮液法、轉(zhuǎn)印法等在內(nèi)的多種方法以應用于潛指紋檢測。隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，碳點更多的優(yōu)點被發(fā)現(xiàn)和開發(fā)，有關(guān)碳點應用于潛指紋檢測的論文逐年增長。

2. 碳點在指紋檢測中的應用方法分析

碳是自然界大量存在的元素，碳源的選擇十分廣泛，這為碳點的制備提供了眾多的原料和方法。合成碳點的方法主要分為兩大類：Top-down和Bottom-up。Top-down即“自上而下”，利用石墨、活性炭、煤等，通過激光燒蝕、化學氧化等方法把塊體的碳剝離成納米級的碳點。Bottom-up 即“自下而上”，以含碳的有機小分子為前驅(qū)體合成碳點，其在原料的選擇上更加廣泛，并且由于原料簡單使得研究其反應機理的可能性大大增加。

圖2： (a)粉末法示意圖，(b)噴霧法示意圖，(c)小微粒懸浮液法示意圖，(d)轉(zhuǎn)印法示意圖

根據(jù)碳點的發(fā)光性質(zhì)及其與潛指紋的結(jié)合方式，目前有以下四種應用方法：粉末法、噴霧法、小微粒懸浮液法和轉(zhuǎn)印法。本身或經(jīng)過摻雜后能夠克服聚集態(tài)光猝滅現(xiàn)象的碳點多應用于粉末法潛指紋成像。2015年首次出現(xiàn)并開辟了指紋檢測材料的新方向，目前最高相似度可達到93.34%。噴霧法一般是將碳點溶液霧化后噴在指紋基底上，干燥后在紫外燈下即可觀測。研究發(fā)現(xiàn)噴涂過程中的液滴尺寸是LFP（潛指紋）發(fā)展的一個非常重要的因素，微小的液滴有利于產(chǎn)生可分辨的山脊，目前最高可做到第三級指紋信息。文獻顯示，小微粒懸浮液法獲得的熒光潛指紋可以保留60天以上較好的成像效果。轉(zhuǎn)印法獲得的潛指紋可觀測到二級及以上的指紋信息，做成自支撐柔性透明膜后不僅便于攜帶，且能夠穩(wěn)定存在于空氣中2.5年。

在熒光碳點應用于潛指紋成像的研究中，碳點從精準合成到性能調(diào)控多方面取得成功是系統(tǒng)性識別與鑒定潛指紋的基礎。理想的材料應該是具有長壽命磷光發(fā)射的固態(tài)碳點，并且該碳點對指紋有特異性識別的表面基團。到目前為止，具有紅色固態(tài)磷光發(fā)射的碳點還未見報道，碳點發(fā)光的高度一致性和表面基團選擇性問題更是巨大的挑戰(zhàn)。

3. 總結(jié)與展望

將生物毒性低、光穩(wěn)定性強、熒光可調(diào)變、合成成本低、安全又環(huán)保的碳點應用于潛指紋檢測不僅豐富、拓寬了碳點的實際應用，也為潛指紋的檢測提供了一種更加綠色環(huán)保、高效便捷的方法。但是，該領域的研究現(xiàn)狀還存在以下不足：

一. 碳點應用于潛指紋成像的目標不夠明確

大部分相關(guān)報道都是先合成了某種碳點，然后順帶應用于潛指紋顯現(xiàn)，指紋檢測既不是研究的主題也不是合成碳點的目標。這樣膚淺的研究對該領域的深入發(fā)展沒有實質(zhì)性貢獻，因為有很多種粉末包括碳粉、鐵粉、面粉、熒光粉，只要足夠細小，都能用來刷指紋。

二. 碳點與潛指紋結(jié)合的機制有待研究

盡管有些文獻討論到碳點對指紋殘留物特異性識別的問題，認為碳點和指紋的結(jié)合主要包括靜電相互作用、疏水相互作用和化學偶聯(lián)作用，但是由于碳點本身的精準可控合成目前還無法實現(xiàn)，究竟讓碳點攜帶什么樣的表面基團，或者具有哪些形式的表面態(tài)，才能夠選擇性地結(jié)合指紋殘留物，仍然是一個亟待解決的難題。

三. 碳點應用于潛指紋成像的準確性值得商榷

絕大多數(shù)的相關(guān)研究缺乏系統(tǒng)性，只停留在利用碳點顯現(xiàn)潛指紋這個初級層面上。即使熒光照片顯示了指紋所有的細節(jié)特征，也無法保證這些信號都是準確無誤的。由于在粉末刷指紋、溶液噴霧、氣體熏顯等手工操作中不可避免地存在對指紋痕跡的破壞，顯色劑使用過度或滯留在非指紋區(qū)，拍攝過程中光線、角度、曝光、背景等干擾，導致最終成像的信號失真。為了解決這個問題，需要設定參照物和標準比對方法，設計人工智能程序?qū)D像進行數(shù)字化處理，去偽存真，根據(jù)計算比對的相似度參數(shù)判定熒光成像的準確性。

綜上所述，與其他的指紋檢測技術(shù)相比，以碳點為顯色劑的檢測方法已經(jīng)展現(xiàn)出美好的前景。通過精準合成碳點、調(diào)控其表面態(tài)和發(fā)光特性，系統(tǒng)地研究潛指紋顯現(xiàn)成像、識別鑒定多個層面的問題，必將能夠充分發(fā)揮碳點的優(yōu)勢，真正地把碳點應用于指紋檢測的實際工作環(huán)境。

論文信息：

劉俊, 張熙榮, 熊煥明. 熒光碳點在指紋檢測中的應用[J]. 發(fā)光學報, 2021, 42(8):1095-1113.

論文地址：

DOI：10.37188/CJL.20200334

http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20200334

作者簡介：

劉俊，碩士研究生在讀，2019年于東北師范大學獲得學士學位，2019年起就讀于復旦大學化學系，主要從事碳納米材料的設計合成與應用。

熊煥明，2004年于吉林大學獲得博士學位，2004年起在復旦大學化學系工作，2012年晉升為教授。主要從事功能型納米材料的制備與應用。獲得的獎勵有：2005年中國電化學會普林斯頓優(yōu)秀論文獎，2006年復旦大學“世紀之星”，2008年德國洪堡獎學金，2009年上海市科技啟明星，2011年復旦大學“卓學計劃”，2011年教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃。

監(jiān)制 | 郝振東、趙陽

編輯 | 趙唯

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