颜 磊， 陈虹宇

(1.西南政法大学刑事侦查学院， 重庆 401120； 2.重庆市高校物证技术工程研究中心， 重庆 401120)

PEI-FePEI-Fe3O4磁性纳米颗粒的制备及其在潜指印显现中的应用

颜 磊1,2， 陈虹宇1

(1.西南政法大学刑事侦查学院， 重庆 401120； 2.重庆市高校物证技术工程研究中心， 重庆 401120)

目的 以聚乙烯亚胺(PEI)为表面改性剂，制备了PEI修饰的四氧化三铁纳米颗粒(PEI-Fe3O4NPs)，并基于此磁性纳米材料建立粉末显现潜指印的方法。方法 通过磁滞回线、红外光谱、X射线衍射及透射电镜表征，对合成的PEI-Fe3O4NPs的性质进行探究，比较PEI-Fe3O4NPs粉末对不同客体表面上潜指印的显现效果，并将其应用于陈旧指印的显现。结果 制备的PEI-Fe3O4NPs尺寸均一、性质稳定，磁学性能优良，不仅能显现光滑客体表面以及部分粗糙客体表面的潜指印，而且对于部分陈旧指印也有较好的显现效果。结论 该方法能高效地显现潜指印，尤其是对于陈旧指印或者粗糙客体表面上的潜指印的显现具有应用价值和应用前景。

聚乙烯亚胺； 四氧化三铁纳米颗粒； 潜指印显现； 磁性粉末

0 引言

指纹因其所具有的人各不同、终身不变两大特性在身份识别等方面发挥着极大的作用[1]。而现场上遗留的指印大多数为潜指印，裸眼无法识别，故指印显现技术一直以来都是法庭科学领域的研究热点。从19世纪中期，法国医生Aubert[2]发现滴加硝酸银可显现纸张上的潜指印至今，形成了多种指印显现技术：粉末显现法[3]、光学法[4-5]等物理显现法，DFO法[6]、茚三酮法[7]等化学显现法，以及硝酸银法、502胶熏显法[8]、多金属沉淀法等物理化学显现方法。其中，粉末法，尤其是磁性粉末显现技术，由于操作简便、显现效果好、粉末不易悬浮等特点，受到了研究者们的关注[9-10]。

磁性纳米材料因其所具有的超顺磁性[11]、天然无毒性[12]以及合成方法简便在近些年成为法庭科学领域研究的重点。四氧化三铁纳米颗粒(Fe3O4NPs)作为一种研究相对成熟的磁性纳米材料，既具有磁性又具有纳米颗粒的优良性质。1989年Haque课题组[13]研究发现，较传统粉末显现方法，Fe3O4NPs对非渗透性客体表面的潜指印显现效果更好，操作更加便捷。2016年，本课题组曾利用微波辐射法快速合成了Fe3O4NPs，并将其应用于不同性质客体上的潜指印显现，且发现Fe3O4NPs粉末对粗糙客体表面上的潜指印有较好的显现效果[14]。

为了进一步改善Fe3O4NPs的表面性能，增加在潮湿环境中的稳定性，拓展其在潜指印显现中的应用，本研究以PEI为表面改性剂，在Calatayud等人[15]一步制备PEI-Fe3O4NPs的基础上改进了操作方法，利用输液装置实现PEI与Fe3O4的均匀混合，最终通过水热法合成了PEI-Fe3O4NPs。实验中采用透射电镜(TEM)、红外光谱(IR)、X射线衍射(XRD)等方法对产物尺寸形貌、光学性质及磁学性质进行了表征，最终将该磁性纳米粉末应用于不同性质客体表面的潜指印显现。该法操作简便，产物性质稳定，尺寸较小(约25 nm)，对于指印(尤其是陈旧指印)显现的效果令人满意，是一种便捷、绿色的显现试剂，有望应用于实际案件中。

1 实验部分

1.1 试剂与材料

硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)购于上海国药试剂公司；硝酸钾(KNO3)、氢氧化钠(NaOH)购于中国医药上海化学试剂公司；聚乙烯亚胺(PEI)购于重庆川东化工公司；实验用水均为超纯水；试剂均为分析纯。

1.2 仪器

样品的合成过程中使用TG16B台式高速离心机(湖南凯达科学仪器有限公司)、DZF- 6020真空干燥箱(上海申贤恒温厂)和JP- 040超声清洗仪(上海精宏实验设备有限公司)。磁滞回线在MPMS (SQUID) XL型磁学测量系统(美国Quantum Design公司)上测得，红外光谱图由NICOLET 5700傅立叶红外光谱仪(美国热电尼高力仪器公司)测得，X射线衍射图谱由D8 ADVANCE多晶(粉末)X射线衍射仪(德国Bruker公司)测得，电镜图在Tecnai G2 F20型场发射透射电子显微镜(美国FEI公司)上测得，Nikon D40数码相机(尼康株式会社)用于已显指印的拍照固定，Milli-Q超纯水机(美国密理博公司)用于超纯水的制备。

1.3 方法

1.3.1 PEI-Fe3O4NPs的一步合成

在Calatayud课题组[15]报道的基础上，进一步优化实验条件和方法以合成PEI-Fe3O4NPs。具体操作如下：称取FeSO4·7H2O(0.780 0 g)溶于5 mL超纯水中，制得A溶液；将KNO3(7.5 mL，2.0 mol/L)溶液，NaOH(7.5 mL，1.0 mL/L)溶液和PEI(60 mL，4.0 g/L)溶液混合，制得B混合液。在磁力搅拌下(80 ℃)，利用输液装置将B混合液缓慢匀速地滴加至A溶液。滴加完毕后，将反应溶液置于80 ℃真空条件下反应4 h。反应结束后对得到的黑色产物进行磁性分离，用超纯水反复洗涤3次。离心后将沉淀置于80 ℃真空条件下干燥12 h，制得黑色磁性粉末，备用。

为了进行对比，试验中还采用相同方法，用纯水代替PEI溶液，制备了Fe3O4NPs粉末。

1.3.2 PEI-Fe3O4NPs的表征

用振动样品磁强计检测PEI-Fe3O4NPs的磁性强度。通过傅里叶变换红外光谱仪观察红外图谱，获得PEI-Fe3O4NPs的结构、基团信息，测试红外图谱波数范围在4 000～500 cm-1；通过X射线衍射仪检测PEI-Fe3O4NPs的晶体结构；通过透射电镜观察PEI-Fe3O4NPs的粒径大小和分散情况。

1.3.3 潜指印显现

所有指印样本均由同一志愿者提供。志愿者将手洗净并自然晾干5 min后，在相应的客体上以相同且均匀的力度捺印，获得指印样本。为了避免温湿度变化带来的干扰，本实验指印样本均存放于温度15 ℃，湿度65%条件下。实验中采用粉末刷显的方法对多种客体(透明玻璃、金属栏杆、塑料瓶、粗糙漆面、空调外壳、磨砂玻璃、白色泡沫、A4文印纸、滤纸)表面的潜指印进行显现，并用相机对显现后的指印进行拍照固定。

2 结果与讨论

2.1 PEI-Fe3O4NPs的合成

聚乙烯亚胺(PEI)是一种水溶性高分子聚合物，以此为修饰物对Fe3O4NPs进行表面改性，可使PEI-Fe3O4NPs表面有大量的亚氨基、氨基活性基团，一方面可与多种药物、配体、抗体相连，形成多功能纳米复合材料[16-17]；另一方面亚氨基、氨基吸附于Fe3O4NPs上，可以增加Fe3O4NPs的分散性，防止Fe3O4NPs团聚，从而改善其性能。

制备PEI-Fe3O4NPs有两种方法，一是先制备Fe3O4NPs，再将PEI修饰到Fe3O4NPs表面，形成PEI-Fe3O4NPs；另一种是一步法制备PEI-Fe3O4NPs，该法大大简化了制备程序，提高了效率，实验采用第二种方法。其反应过程如图1(a)所示，首先Fe2+与NaOH溶液迅速生成Fe(OH)2沉淀，Fe(OH)2不稳定，会迅速被KNO3溶液氧化成Fe(OH)3，于是整个反应体系为含有Fe(OH)2、Fe(OH)3的混合物；随后通过反应生成Fe3O4，在反应进行的同时，表面改性剂PEI中的氨基不断吸附于新生成的Fe3O4NPs表面上，最终形成PEI-Fe3O4NPs[18]。

已有报道中通过手动控制B液的滴速与滴量来实现反应溶液的均匀混合，整个过程操作繁琐，不易控制，因此本实验采用输液装置对反应系统进行了改进优化。如图1(b)所示，该反应装置分为输液系统(盛KNO3溶液，NaOH溶液和PEI的混合液)和磁力搅拌系统(盛FeSO4溶液)。利用该装置可简化操作程序，能有效控制反应液用量与滴加速度以及整个反应的速度。

图1 一步法合成PEI-Fe3O4NPs的(a)反应原理图；(b)反应装置图

2.2 PEI-Fe3O4NPs的表征

传统的粉末显现试剂在潮湿的环境下易吸水产生结块、抱团等现象，因此不利于显现湿润环境及客体上的潜指印[19]，而PEI-Fe3O4NPs由于Fe3O4NPs表面有PEI修饰，表面能降低，不易产生团聚。为考察表面修饰PEI对Fe3O4NPs粉末在湿润环境中的稳定性，实验搭建了密闭的温、湿度控制装置，使装置中温度、湿度分别维持在15 ℃和65%。用滤纸盛放Fe3O4、PEI-Fe3O4NPs粉末于密闭容器中，分别于刚放置和存放90天后，对粉末的分散状态进行观察和比较。结果如图2所示，新鲜制备的Fe3O4NPs粉末颗粒较大，肉眼可见少量团聚，而PEI-Fe3O4

NPs粉末则更为细腻，且无团聚现象。在15 ℃、65%条件下放置90天后，前者粉末出现团聚结块现象(图2(a)中圆圈)，而后者仍具有较好的分散性，未检见结块、抱团现象。上述现象可说明，PEI能有效防止Fe3O4NPs团聚，显著改善Fe3O4NPs的相对稳定性。

图2 Fe3O4、PEI-Fe3O4粉末状态(a)Fe3O4 NPs; (b) PEI-Fe3O4 NPs

图3(a) PEI-Fe3O4 NPs粉末在磁性刷上吸附; (b) PEI-Fe3O4NPs的磁滞回线图

为考察PEI的包覆对Fe3O4NPs粉末磁性能的影响情况，对PEI-Fe3O4NPs进行磁性表征。图3(a)探究PEI-Fe3O4NPs粉末的磁性，用磁性刷靠近粉末，粉末迅速吸附至磁性刷刷头。用超导量子干涉磁量仪对PEI-Fe3O4NPs材料的磁性能进行进一步研究，图3(b)中磁滞回线过坐标原点，且呈中心对称，说明该纳米颗粒的矫顽力为0，具有超顺磁性[20]。其饱和磁化强度为40.2 emu/g，与李成魁等人[21]报道的未修饰PEI的Fe3O4NPs相比，饱和磁化强度降低了，这是由于PEI不具有磁性，其包裹在Fe3O4NPs表面，降低了Fe3O4的磁性。

为了获取更多信息，实验中采用IR、XRD对PEI-Fe3O4NPs进行了表征。从图4(a)中可知，2 920、2 825、1 464 cm-1分别对应PEI中亚甲基(CH2)的不对称伸缩振动峰、对称伸缩振动峰和弯曲振动峰[22]；1 640 cm-1对应伯胺的面内振动峰；587 cm-1对应Fe3O4的Fe-O特征吸收峰，由此可以判断PEI已成功修饰在Fe3O4NPs表面。与未经PEI修饰的Fe3O4NPs在578 cm-1左右特征吸收峰相比[17]，本实验制备的PEI-Fe3O4NPs特征吸收峰发生红移应为PEI与Fe3O4NPs之间相互作用引起的。如图4(b)所示，制备的PEI-Fe3O4NPs有7个尖锐的晶体结构特征衍射峰，分别出现在111、220、331、222、511、442、440晶面上，与JCPDF卡片(NO.65～310)上Fe3O4的晶体结构峰的2θ值一致[23]，说明利用PEI作为表面改性剂修饰Fe3O4，并未改变Fe3O4NPs的晶体结构。

图4 PEI-Fe3O4 NPs的(a)红外光谱图和(b)XRD图谱

通过透射电镜对制备的PEI-Fe3O4NPs的尺寸形貌以及分散性进行观察和分析，结果如图5所示。PEI-Fe3O4NPs形貌规则，近似圆球形，粒径约为25 nm，分散性较好。从图中可以看出PEI厚度层包裹在Fe3O4表面。与文献报道的平均粒径为30 nm左右的PEI-Fe3O4NPs相比[15]，本实验制得的PEI-Fe3O4NPs具有较小的粒径，更利于后续的潜指印显现。

图5 (a) PEI-Fe3O4 NPs的TEM图; (b)为(a)中圆圈放大图

2.3 潜指印的显现

形成潜指印的物质基础主要是从汗孔中分泌的汗液和油脂，人体的汗液是由大量的水和少量的氨基酸、钠离子、钾离子、氯离子等物质组成[1]。粉末显现法主要是利用手印物质与粉末之间的静电吸附作用使粉末结合在手印物质上，从而实现潜指印的显现，该法操作简便、快捷，在实际勘验工作中应用广泛。

2.3.1 对不同客体上潜指印的显现

为考察PEI-Fe3O4NPs粉末的适用范围，实验对多种客体上的潜指印进行了显现，其中包括非渗透性客体(透明玻璃、金属栏杆、塑料瓶、粗糙漆面、空调外壳、磨砂玻璃)、半渗透客体(白色泡沫)以及纸类渗透性客体(A4文印纸、滤纸)，并对显现的效果进行了分析总结。

图6为PEI-Fe3O4NPs粉末在非渗透性客体上显现潜指印的效果图。(a)～(d)为表面光滑的客体，无论是对于玻璃还是材质不同的塑料，PEI-Fe3O4NPs粉末均能够清晰流畅地显现潜指印纹线，且细节特征明显，与背景有鲜明的反差；对于金属栏杆上的潜指印的显现效果稍差，这是因为栏杆表面有一定弧度，所以往往获得的指印图片是变形的。但是仍可识别指印的花纹图案类型与细节特征，经图像处理后仍可用于人身识别。

一直以来，传统的显现粉末对于非渗透性光滑客体上的指印均有较好的显现效果，但是在粗糙客体上，由于粉末颗粒的尺寸等原因，无法获得高质量的指印图片。为了考察制得的粉末对于光滑、粗糙客体的显现效果，实验中对凹凸不平(带底纹)的柜面、粗糙泡沫以及磨砂玻璃上的指印进行显现。实验结果显示(图6(e)～(h))，凹凸不平柜面和磨砂玻璃上的指印显现效果最好，纹线流畅连续，细节特征明显；泡沫上的指印显现效果稍差，能够显现部分纹线和细节特征。粉末颗粒度影响指印显现效果[19]，泡沫表面有凹凸不平的底纹和较大的孔隙，而实验制备的PEI-Fe3O4NPs的颗粒度较小，粉末易渗入泡沫内部，因此无法达到较好的显现效果。

图6 PEI-Fe3O4 NPs在多种非渗透性客体上显现效果比较(a)透明玻璃; (b)金属栏杆; (c)塑料瓶; (d)空调外壳; (e)蓝色柜门(粗糙漆面); (f)白色柜门(粗糙漆面); (g)白色泡沫(粗糙花纹); (h)磨砂玻璃

纸张属于渗透性客体，其表面的潜指印通常不宜使用粉末刷显法进行显现。如图7所示，以A4文印纸、滤纸(粗糙程度递增)上的潜指印为分析对象，采用PEI-Fe3O4NPs粉末对潜指印进行刷显。结果表明，其在A4文印纸上的显现效果优于滤纸上的显现效果，滤纸表面的潜指印纹线清晰程度不高，不连续流畅，且背景有滞粉、粘粉现象。这是由于滤纸表面粗糙程度比A4文印纸高，而粗糙程度越高，越易使纸面背景(即小梨沟位置)粘附粉末。

图7 PEI-Fe3O4 NPs在纸张上显现效果比较 (a)A4文印纸; (b)滤纸

2.3.2 PEI修饰前后的Fe3O4纳米粉末显现效果比较

随着指印遗留时间的推移，指印分泌物会在客体表面发生挥发、扩散、渗透等现象，这会导致分泌物与显现粉末之间的静电吸附作用力变小而不易与粉末结合。为进一步考察PEI-Fe3O4NPs粉末在显现潜指印上的优势，将经PEI修饰前后的Fe3O4NPs粉末进行比较。实验中分别以PEI-Fe3O4NPs粉末和Fe3O4NPs粉末为显现剂，对遗留时间为30 d的陈旧指印进行显现。

显现结果如图8所示，两种粉末在玻璃(透明玻璃、磨砂玻璃)表面的显现效果相当，指印纹线清晰，细节特征明显可辨。对于粗糙的白底漆面和A4文印纸，PEI-Fe3O4NPs粉末显现效果明显优于Fe3O4NPs粉末。前者显现的指印纹型、细节特征可辨；而后者显现的指印纹线模糊，只能获得指印的大体轮廓信息，在A4文印纸上进行显现甚至无法获得任何指印信息。因此与Fe3O4NPs粉末相比，PEI-Fe3O4NPs粉末在显现陈旧指印方面具有明显的优势。

图8 PEI-Fe3O4 NPs与Fe3O4 NPs粉末显现陈旧指印的比较 (a)透明玻璃; (b)磨砂玻璃; (c)白底漆面; (d)A4文印纸; 左: PEI-Fe3O4; 右: Fe3O4

3 结论

本实验采用输液装置，以FeSO4·7H2O、KNO3、NaOH和PEI为原料，利用水热法制备了磁性PEI-Fe3O4NPs，并采用红外光谱、磁滞回线、X射线衍射、透射电镜等表征手段对其光学、磁学性质、晶体结构以及尺寸形貌进行表征。制备的PEI-Fe3O4NPs性质稳定，具有良好的磁学性能。将PEI-Fe3O4NPs粉末应用于多种客体(透明玻璃、金属栏杆等非渗透性客体；白色泡沫等渗透性客体以及纸类渗透性客体)上潜指印显现，并获得了较好的显现效果。对于光滑客体，显出的指印纹线清晰，细节特征明显，对比鲜明，对于部分粗糙客体，显出纹线清晰可辨。此外，经PEI修饰后，不仅增强了Fe3O4NPs粉末在潮湿环境中的稳定性，还对遗留时间在30 d以内的陈旧指印的显现具有明显优势，这进一步延伸了磁性粉末的显现范围，有望在侦查实际中应用。

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(责任编辑于瑞华)

D918.91

国家自然科学基金项目(51401174)； 重庆市社会科学规划项目(2015PY39)。

颜 磊(1982—)，女，重庆人，博士，讲师。研究方向为物证技术学。