指纹是每个人独有的生理结构和特征体系，在侦查破案和法庭诉讼中发挥着重要作用，被誉为“物证之首”。但是，客体上遗留的指纹几乎是肉眼不可见的，故称之为“潜指纹”(LFPs)。迄今为止，已发展了多种LFPs显现方法，如氰基丙烯酸熏蒸法[1]、表面等离子体共振成像方法[2]等。这些LFPs显现方法具有操作过程复杂、灵敏度低、对比度差、需要特殊的仪器设备等缺点。近年来，荧光探针应用于LFPs成像时展现了灵敏度高、选择性好以及对比度高的特点[3-6]。但是，日常生活中遇到的很多可能留下指纹的基质通常含有荧光物质。基质中的荧光物质在激发光作用下发射强烈的背景荧光，对荧光探针信号产生严重的干扰，导致检测的灵敏度和成像的分辨率显著降低，获得的指纹图像通常模糊不清甚至被完全掩埋[7]。因此，开发能够有效消除背景荧光干扰的LFPs成像试剂具有重要的应用价值。
磷光是在激发光关闭后一段时间内仍然可以发射特征光的长寿命发光现象，在分析检测中可以有效消除短寿命背景发光的干扰[8]。磷光碳点(CDs)材料生物相容性好，合成原料廉价广泛，制备工艺简便，通过选择碳源、控制合成条件等，可以改善其发光特性[9-11]。近年来，磷光CDs的研究受到广泛关注。实现CDs磷光发射的主要途径如下：将CDs嵌入到特定的基质中[12]、利用交联增强发射效应构建“自保护”结构[13]以及杂原子掺杂[14]等。Chao等[15]以L-天门冬氨酸和3-氨丙基三乙氧基硅烷为起始反应物，利用水热法制备了具有荧光发射的CDs粉末，随后经700 ℃煅烧后，二氧化硅交联网状刚性结构中的CDs呈现了期望的磷光发射。Xia等[16]以丙烯酰胺为前驱体，通过一步水热加成聚合与碳化策略合成了N掺杂的碳化聚合物点。通过改变产物的碳化程度可以调节碳化聚合物点的磷光寿命和发射波长。在这些研究中，刚性的网状结构或交联聚合效应有效阻止了发光官能团的运动，促进了系间窜跃(ISC)，抑制了三重态激子的非辐射跃迁，进而实现了磷光发射。将N、P、B等杂原子引入CDs结构中，也可以提升激发单重态到三重态的ISC和减少三重态非辐射跃迁，从而激活材料的磷光特性[17]。Wang等[18]以二乙烯三胺、磷酸和硼酸为原料，通过水热反应制备了杂原子掺杂的绿色磷光碳化聚合物点，并通过进一步加热碳化水热反应使产物实现了磷光发射波长的红移。
我们以乙二胺、磷酸和硼酸为起始反应物，通过水热反应制备了具有荧光发射的CDs溶液，进一步加热反应溶液，获得了长达10 s裸眼可见的室温磷光发射的CDs粉末。以制备的磷光CDs粉末为指纹试剂，考察了其对复杂背景图案且具有强烈背景荧光基质表面LFPs的显现效果。该磷光CDs粉末可以有效消除客体表面背景图案和背景荧光干扰，为抗背景干扰LFPs检测提供了新的思路。
主要试剂包括乙二胺(AR，天津市瑞金特化学品有限公司)、磷酸(AR，天津市瑞金特化学品有限公司)和硼酸(AR，沈阳化学试剂厂)。
CDs的水热合成反应在上海精宏实验设备有限公司DHG-9036A电热恒温鼓风干燥箱中进行。采用BRUKER D8 Advance型X射线衍射仪(XRD)对样品进行结构分析，Cu Kα射线(λ=0.154 06 nm)，工作电压40 kV，工作电流30 mA，扫描速率6 (°)·min-1，扫描范围2θ=10°~80°。样品的形貌通过JEOL JEM-2100型透射电子显微镜(TEM)进行观察，测试电压200 kV。将制备的CDs粉末超声分散于去离子水中，然后用50 μL移液枪滴至碳支持膜铜网表面，自然干燥后进行观察。利用Thermo Scientific ESCALAB 250Xi型X射线光电子能谱仪(XPS)对样品的表面元素组成和化学基团进行分析。利用日本Shimadzu公司UV-2600紫外可见分光光度计获得紫外可见(UV-Vis)吸收光谱。通过日本Hitachi公司F-4600荧光光谱仪对样品的激发和发射光谱进行表征。采用英国Edinburgh公司FLS1000光谱仪测定样品在不同温度下的时间分辨磷光衰减曲线。上海康禾光电仪器有限公司ZF-C型三用紫外分析仪被用作指纹成像中的激发光源。使用佳能Canon EOS 500D数码相机对指纹样本进行拍照。
在50 mL烧杯中，将1.0 mL乙二胺加入到30 mL去离子水中搅拌均匀，然后缓慢滴加2.0 mL磷酸，再加入3.0 g硼酸溶解至澄清。将上述溶液转移到50 mL高压水热反应釜中，并放置在230 ℃高温烘箱中水热反应6 h，自然冷却到室温，获得浅黄色反应溶液。然后，将得到的反应溶液转入100 mL烧杯中，用表面皿盖住烧杯，在180 ℃加热反应5 h。在加热过程中，溶剂水被蒸干，得到泡沫状固体产物，研磨后得到磷光CDs粉末。
实验中涉及的指纹来自不同的志愿者。在制作指纹样本前，志愿者使用肥皂将手清洗干净并自然晾干，用手指轻触额头并捺印指纹在选定的客体表面。
老化指纹：指纹样品储存于有盖的培养皿内，储存7 d之后，拿出待用。
采用撒粉抖显法对各种客体表面的LFPs进行显现。将显现后的指纹样本在365 nm紫外光激发下捕获指纹荧光照片，然后关闭紫外灯，继续用相机记录指纹磷光图像。
如图 1a所示，乙二胺、磷酸和硼酸在230 ℃水热反应6 h，可以获得发蓝色荧光的CDs溶液，该溶液在180 ℃加热5 h后可得到固态发光的CDs粉末，该粉末在365 nm紫外光照射下显示出明亮的蓝色荧光；关闭紫外灯后，蓝色荧光立即消失，呈现了明亮的绿色磷光，肉眼可以观察到的磷光发射持续时间长达10 s(图 1b)。这样长的磷光发射时间能够在基质背景荧光消失后有充足的时间捕获CDs的磷光发射信号，从而实现抗背景发光干扰的LFPs成像。
由图 2可见，制备的CDs粉末的XRD图在2θ=12.4°和23.6°处存在一个弱的衍射峰和一个较强的衍射峰，分别与颗粒内交联聚合结构和无规则排列的石墨碳结构有关[19-20]，说明制备的CDs粉末主要为无定型碳。
如图 3a所示，制备的CDs的TEM图显示，其颗粒形貌呈近球形，分散均匀。CDs的尺寸分布在3.78~7.64 nm范围之内，平均粒径为5.03 nm(图 3b)。一般情况下，粒径细小、均匀的球形粒子更容易在指纹脊附着，指纹显现效果较好。TEM结果表明，制备的CDs呈现出均匀的细小颗粒，预示着合成的CDs粉末在指纹脊残留物质上应有较好的附着性。
为进一步研究制备的CDs的化学组成和表面基团，对其进行了XPS表征。CDs的XPS全谱图(图 4a)中有5个特征峰：P2p(133.7 eV)、B1s(192.9 eV)、C1s(284.8 eV)、N1s(401.3 eV)和O1s(532.3 eV)，其原子分数分别为3.5%(P)、15.4%(B)、43.58%(C)、3.36%(N)和34.15%(O)。这说明在合成过程中，N、P、B元素被引入到CDs结构中。进一步对其高分辨的C1s XPS谱图进行了分峰分析，在约284.8和286.5 eV处存在2个特征峰(图 4b)，分别归属于C—C/C=C和C—O/C—N [21]。N1s谱图可以在约399.8、400.9和401.6 eV处拟合得到3个特征峰(图 4c)，分别归属于C—N=C、N—(C)3和N—H键[22]。O1s谱图可以拟合得到位于约531.4、532.1和532.8 eV的3个特征峰(图 4d)，分别对应于C—O、P—O和B—O键。P2p谱图可以在约133.2和134.2 eV处拟合得到2个特征峰(图 4e)，分别对应P—O/P=O和P—N键[23]。B1s谱图可以在约191.6、192.6和193.5 eV处拟合得到3个特征峰(图 4f)，分别对应BCO2、B2O3和B—C键[24]。这些结果表明，由于合成体系中磷酸和硼酸的引入，碳化过程中在CDs表面形成了大量的含有杂原子的基团。N、P和B杂原子的掺杂可以促进单重态激子向三重态激子的转变，并有利于抑制三重态激子的非辐射跃迁，从而可以有效激活CDs的磷光发光。
CDs粉末水溶液的UV-Vis吸收光谱(图 5a)，在266和336 nm处有2个特征吸收峰，这可能源于某些亚发光团(如C=C、C=N和P=O)的π-π*和n-π*跃迁吸收。由图 5a可以看出，CDs的荧光和磷光激发光谱与UV-Vis吸收光谱有较好的重叠，表明荧光和磷光发射来源于具有相应吸收的结构基团。同时，荧光与磷光激发光谱吻合较好，表明CDs的荧光与磷光发射具有相同的发光来源。磷光激发光谱较荧光激发光谱存在一定蓝移，这应归因于当激发波长红移时，受激电子获得的激发能降低，由激发单重态向三重态的系间窜跃被禁阻，磷光发射被抑制。如图 5b所示，当改变激发波长从300 nm到400 nm时，CDs粉末的荧光发射强度先增强后减弱，发射峰位从407 nm红移到460 nm，显示出激发波长依赖的荧光特征。激发波长依赖的发光特征是荧光CDs普遍存在的现象，这与存在多个发光中心有关[25]。如图 5c所示，CDs粉末的磷光发射强度也表现出激发依赖特性，当激发波长从300 nm改变至380 nm时，磷光发射强度先增强后减弱。但磷光发射波长不随激发波长的变化而明显移动，均位于507 nm左右，这应是不同波长激发光所产生的磷光发射主要来源于相同的发光中心所致。同时可见，磷光发射波长较荧光波长明显红移，说明CDs的长寿命发光为磷光发射。由CDs粉末不同温度下的时间分辨磷光衰减曲线(图 5d)可见，随着温度从300 K降至77 K，CDs的平均发光寿命从1.42 s显著增加到2.08 s。低温下延长的发光寿命进一步证实了制备的CDs的长寿命发光是磷光发射而不是热激活延迟荧光[26]。
为了考察制备的CDs粉末对LFPs的显现特性，首先选择了无背景颜色和背景荧光干扰的玻璃片作为指纹承载客体。由图 6a可见，在365 nm紫外光激发下，制备的CDs粉末显现的玻璃片表面LFPs呈现了明亮的蓝色荧光指纹图谱，指纹纹线连贯，指纹脊与小梨沟对比度高，无背景沾染，细节特征显著。这说明制备的CDs粉末对指纹脊残留物有较高的亲和力和选择性，可以应用于指纹检测。如图 6b所示，关闭激发光源后，呈现了清晰、流畅、完整的绿色磷光指纹图谱，指纹脊颜色均一，纹型结构明确，细节特征清晰可辨。这一结果表明，CDs粉末的磷光特性能够满足LFPs显现要求。
指纹试剂的抗背景干扰能力是衡量指纹显现效果的重要指标之一，基于制备的CDs粉末优异的磷光特性和良好的无背景干扰基质LFPs显现效果，测试了CDs粉末抗背景干扰的LFPs成像策略。实验选择了具有复杂背景图案且具有强烈背景发光的基质作为LFPs承载客体。这些客体表面的背景图案和颜色各不相同，强烈的背景干扰会降低指纹纹线与背景的反差，也会影响指纹细节特征的识别。更重要的是基质表面所含有的发光物质会在激发光作用下产生强烈的背景发光，对指纹脊的荧光信号产生严重的干扰，甚至完全掩盖。由图 7a~7f可见，在365 nm紫外光激发下，所有选择的基质表面的LFPs荧光图像都受到了背景图案和背景荧光的强烈干扰，指纹轮廓模糊，指纹纹线难以分辨，甚至被完全淹没。关闭激发光源后，基质背景的短寿命发光立即消失，所有基质表面的指纹呈现出明亮的绿色磷光指纹图像，如图 7a′~7f′所示。这些磷光指纹图谱中，指纹脊线与背景反差大，纹线流畅清晰，细节特征完整且可以清楚识别。这一结果表明，制备的CDs粉末对具有复杂背景图案、强背景发光基质表面的LFPs可以实现高质量的磷光成像，能够有效消除背景干扰，对复杂背景客体表面的LFPs识别具有较高的应用价值。
指纹的细节特征是个体识别的主要依据，对细节特征的显现能力，是衡量指纹显现试剂特性的重要指标。制备的CDs粉末颗粒细小、吸附力适度，对指纹的细节特征具有较好的显现能力。如图 8a所示，由CDs粉末显现的LFPs磷光图谱中可以清晰地观察到完整的指纹轮廓和特征的指纹结构。图 8b放大的指纹特征区域可以清楚地显示出指纹短脊、核、分叉、脊终点等细节特征，能够很好地满足指纹识别的要求。指纹细节放大图进一步说明，制备的CDs粉末对LFPs具有较好的显现效果。
为了考察磷光CDs粉末对实际应用中常见的老化LFPs的检测效果，测试了4个不同志愿者在4种具有不同背景荧光且背景图案各异的基质上老化7 d的LFPs检测效果。由图 9可见，在忽略背景干扰的情况下，4名志愿者分别按捺在4种不同干扰基质上的LFPs都具有明亮完整的磷光指纹图谱，指纹轮廓清晰完整，纹路连贯，细节特征清晰，说明制备的CDs粉末对老化LFPs也能够进行有效识别，并具有较好的适用性。
以乙二胺、磷酸和硼酸为反应物，利用水热反应制备了荧光CDs溶液，进一步加热反应溶液得到了磷光特性的CDs粉末。通过粉末法，将制备的CDs应用于LFPs显现，着重考察了复杂背景图案并具有强烈背景荧光客体表面LFPs的检测效果。结果表明，利用CDs的磷光特性能够有效消除指纹承载客体表面背景图案和强烈背景荧光干扰，实现LFPs无背景干扰的成像。不同志愿者在不同干扰背景基质上老化7 d的LFPs磷光成像结果进一步表明，制备的磷光CDs粉末可以对老化LFPs进行抗背景干扰的有效识别。磷光CDs材料环境友好、原料廉价广泛、合成工艺简单可控，为LFPs抗背景干扰检测提供了新的思路。
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图 1 (a) 磷光CDs制备过程示意图; (b) 在365 nm紫外灯关闭后1~10 s拍摄的CDs粉末磷光照片
Figure 1 (a) Schematic diagram of the preparing process of phosphorescent CDs; (b) Photographs of CDs powder taken from 1 to 10 s after switching off 365 nm UV lamp
图 3 CDs的TEM图(a)和粒径分布柱状图(b)
Figure 3 TEM image (a) and size distribution histogram (b) of CDs
图 4 CDs的XPS全谱图(a)及(b) C1s、(c) N1s、(d) O1s、(e) P2p和(f) B1s的高分辨XPS谱图
Figure 4 XPS survey spectrum (a) and high-resolution XPS spectra of (b) C1s, (c) N1s, (d) O1s, (e) P2p, and (f) B1s of CDs
图 5 (a) CDs水溶液的UV-Vis吸收光谱图和CDs粉末的荧光与磷光激发光谱图; CDs粉末在不同波长激发光下的室温(b) 荧光和(c) 磷光发射光谱图; (d) CDs粉末不同温度下的时间分辨磷光衰减曲线(激发波长λex=355 nm)
Figure 5 (a) UV-Vis absorbance spectrum of CDs aqueous solution, and fluorescence and phosphorescence excitation spectra of CDs powder; (b) Fluorescence and (c) phosphorescence emission spectra of CDs powder at different excitation wavelengths under ambient conditions; (d) Time-resolved phosphorescence decay curves of CDs powder at different temperatures (excitation wavelength: λex=355 nm)
图 6 CDs粉末显现玻璃片表面LFPs图像: (a) 365 nm UV激发光下的荧光图像; (b) UV激发光关闭后的磷光图像
Figure 6 Developing LFPs by CDs powder on a glass slide: (a) fluorescence image under 365 nm UV light excitation; (b) phosphorescence image after 365 nm UV excitation ceased
图 7 CDs粉末显现具有复杂背景图案和强烈背景荧光的不同客体上LFPs成像: (a~f) 365 nm紫外光激发下的荧光成像图; (a′~f′) 关闭UV激发光源后的磷光成像图
Figure 7 Photographs of LFPs developed by as-synthesized CDs powder on different substrates with complex background patterns and strong background fluorescence: (a-f) fluorescence images under 365 nm UV light excitation; (a′-f′) phosphorescence images after 365 nm UV excitation ceased
图 8 CDs粉末显现黄色塑料片表面的LFPs图像: (a) 磷光照片; (b) 相应区域的放大指纹细节
Figure 8 Photographs of LFPs developed by as-prepared CDs powder on a yellow plastic sheet: (a) phosphorescence image; (b) enlarged images show specific details of the corresponding area
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