荧光碳点在指纹检测中的应用

碳点是一类尺寸在1~10 nm的以碳为主要元素的纳米粒子，因其合成原料广泛、生物安全性高、荧光信号强、光学性质稳定等众多优点在荧光分析检测领域展现出美好的前景。潜指纹是人的手指分泌物留在固体接触面上靠肉眼难以分辨的痕迹，需要经过物理化学处理来增强成像的效果。把荧光碳点应用于潜指纹的增强成像充分发挥了碳点自身的优势，最近几年的研究已经取得一系列进展。

近日，复旦大学熊焕明教授课题组在《发光学报》发表了题为“荧光碳点在指纹检测中的应用”的综述文章，第一作者是硕士研究生刘俊。

图1：指纹检测艺术效果图

本文介绍了潜指纹常见的显现方法，综述了碳点的合成制备、发光机理、在潜指纹检测中的应用、成像机制和功效比较，展望了碳点在潜指纹检测中的不足之处和未来的发展方向，为相关领域的研究工作提供了重要的参考。

1. 引言

碳点（CDs）作为一种新型的发光材料，其尺寸主要在1~10 nm之间，主要元素是碳，对生物体的毒性以及环境的危害几乎可以忽略不计。与量子点、荧光染料等纳米荧光材料相比，碳点发光性能强、光稳定性好、合成方法简单、原料丰富且低廉，以其众多的优点和潜在的应用吸引了大量科研工作者广泛的关注和研究。2015年，Fernandes及其同事报道了在纳米级碳点粉末中混合大量的二氧化硅、二氧化钛、锂皂石、白色指纹粉来得到均匀分散、超低浓度的固相碳点，并首次将其应用于潜指纹增强即犯罪现场的指纹检测。此后，研究者合成了不同掺杂类型的碳点，发展了包括粉末法、喷雾法、小微粒悬浮液法、转印法等在内的多种方法以应用于潜指纹检测。随着科学技术的迅猛发展，碳点更多的优点被发现和开发，有关碳点应用于潜指纹检测的论文逐年增长。

2. 碳点在指纹检测中的应用方法分析

碳是自然界大量存在的元素，碳源的选择十分广泛，这为碳点的制备提供了众多的原料和方法。合成碳点的方法主要分为两大类：Top-down和Bottom-up。Top-down即“自上而下”，利用石墨、活性炭、煤等，通过激光烧蚀、化学氧化等方法把块体的碳剥离成纳米级的碳点。Bottom-up 即“自下而上”，以含碳的有机小分子为前驱体合成碳点，其在原料的选择上更加广泛，并且由于原料简单使得研究其反应机理的可能性大大增加。

图2： (a)粉末法示意图，(b)喷雾法示意图，(c)小微粒悬浮液法示意图，(d)转印法示意图

根据碳点的发光性质及其与潜指纹的结合方式，目前有以下四种应用方法：粉末法、喷雾法、小微粒悬浮液法和转印法。本身或经过掺杂后能够克服聚集态光猝灭现象的碳点多应用于粉末法潜指纹成像。2015年首次出现并开辟了指纹检测材料的新方向，目前最高相似度可达到93.34%。喷雾法一般是将碳点溶液雾化后喷在指纹基底上，干燥后在紫外灯下即可观测。研究发现喷涂过程中的液滴尺寸是LFP（潜指纹）发展的一个非常重要的因素，微小的液滴有利于产生可分辨的山脊，目前最高可做到第三级指纹信息。文献显示，小微粒悬浮液法获得的荧光潜指纹可以保留60天以上较好的成像效果。转印法获得的潜指纹可观测到二级及以上的指纹信息，做成自支撑柔性透明膜后不仅便于携带，且能够稳定存在于空气中2.5年。

在荧光碳点应用于潜指纹成像的研究中，碳点从精准合成到性能调控多方面取得成功是系统性识别与鉴定潜指纹的基础。理想的材料应该是具有长寿命磷光发射的固态碳点，并且该碳点对指纹有特异性识别的表面基团。到目前为止，具有红色固态磷光发射的碳点还未见报道，碳点发光的高度一致性和表面基团选择性问题更是巨大的挑战。

3. 总结与展望

将生物毒性低、光稳定性强、荧光可调变、合成成本低、安全又环保的碳点应用于潜指纹检测不仅丰富、拓宽了碳点的实际应用，也为潜指纹的检测提供了一种更加绿色环保、高效便捷的方法。但是，该领域的研究现状还存在以下不足：

一. 碳点应用于潜指纹成像的目标不够明确

大部分相关报道都是先合成了某种碳点，然后顺带应用于潜指纹显现，指纹检测既不是研究的主题也不是合成碳点的目标。这样肤浅的研究对该领域的深入发展没有实质性贡献，因为有很多种粉末包括碳粉、铁粉、面粉、荧光粉，只要足够细小，都能用来刷指纹。

二. 碳点与潜指纹结合的机制有待研究

尽管有些文献讨论到碳点对指纹残留物特异性识别的问题，认为碳点和指纹的结合主要包括静电相互作用、疏水相互作用和化学偶联作用，但是由于碳点本身的精准可控合成目前还无法实现，究竟让碳点携带什么样的表面基团，或者具有哪些形式的表面态，才能够选择性地结合指纹残留物，仍然是一个亟待解决的难题。

三. 碳点应用于潜指纹成像的准确性值得商榷

绝大多数的相关研究缺乏系统性，只停留在利用碳点显现潜指纹这个初级层面上。即使荧光照片显示了指纹所有的细节特征，也无法保证这些信号都是准确无误的。由于在粉末刷指纹、溶液喷雾、气体熏显等手工操作中不可避免地存在对指纹痕迹的破坏，显色剂使用过度或滞留在非指纹区，拍摄过程中光线、角度、曝光、背景等干扰，导致最终成像的信号失真。为了解决这个问题，需要设定参照物和标准比对方法，设计人工智能程序对图像进行数字化处理，去伪存真，根据计算比对的相似度参数判定荧光成像的准确性。

综上所述，与其他的指纹检测技术相比，以碳点为显色剂的检测方法已经展现出美好的前景。通过精准合成碳点、调控其表面态和发光特性，系统地研究潜指纹显现成像、识别鉴定多个层面的问题，必将能够充分发挥碳点的优势，真正地把碳点应用于指纹检测的实际工作环境。

论文信息：

刘俊, 张熙荣, 熊焕明. 荧光碳点在指纹检测中的应用[J]. 发光学报, 2021, 42(8):1095-1113.

论文地址：

DOI：10.37188/CJL.20200334

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

作者简介：

刘俊，硕士研究生在读，2019年于东北师范大学获得学士学位，2019年起就读于复旦大学化学系，主要从事碳纳米材料的设计合成与应用。

熊焕明，2004年于吉林大学获得博士学位，2004年起在复旦大学化学系工作，2012年晋升为教授。主要从事功能型纳米材料的制备与应用。获得的奖励有：2005年中国电化学会普林斯顿优秀论文奖，2006年复旦大学“世纪之星”，2008年德国洪堡奖学金，2009年上海市科技启明星，2011年复旦大学“卓学计划”，2011年教育部新世纪优秀人才支持计划。

监制 | 郝振东、赵阳

编辑 | 赵唯

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