指紋顯現技術的發展方向

馬榮梁，趙　越，高　峰，韓　柯

（1.公安部物證鑒定中心，北京100038；2.北京市公安局西城分局，北京100055；3.公安海警學院船艇指揮系，浙江寧波315801）

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指紋顯現技術的發展方向

馬榮梁1，趙越2，高峰3，韓柯1

（1.公安部物證鑒定中心，北京100038；2.北京市公安局西城分局，北京100055；3.公安海警學院船艇指揮系，浙江寧波315801）

摘要：指紋是最傳統的法庭科學證據之一，也是少數幾個可以直接認定嫌疑人的法庭科學證據，在偵查破案及法庭科學訴訟中發揮著重要作用。一般地，指紋技術可以分為指紋顯現、鑒定及計算機指紋自動識別技術三大類，指紋顯現技術是整個指紋技術的基礎。隨著現代科技特別是生物化學及儀器分析技術的發展，指紋技術已經并將在以下幾方面得到發展：熒光技術，特別是以茚三酮同系物為基礎的熒光試劑已成為指紋顯現的常規試劑；納米粒子由于具有獨特的優勢，在指紋顯現中的地位日益重要；免疫技術和適配體技術是指紋顯現的一個重要發展方向；疑難客體上的指紋顯現技術是實際案件中迫切需要解決的問題；時間分辨和相分辨技術具有重要的理論意義；光譜成像技術適應性非常廣泛；核化生危害物質污染后的客體上手印顯現技術也是恐怖襲擊案件中需要面臨的問題。

關鍵詞：指紋（手印）顯現；熒光；納米粒子；免疫技術；時間分辨技術；光譜成像

指紋技術是法庭科學的一門重要學科，指紋證據應用到案舍偵查及法庭訴論已經有一百多年的歷史［1-3］。隨著指紋自動識別系統的發展（Automated Fingerprint Identification System，AFIS），指紋技術的應用更加廣泛，地位更加重要。一般地，指紋技術可以分為三類：指紋顯現，鑒定及AFIS技術［1-2］。指紋顯現（也稱為手印顯現）是指將潛在的（即不可見的）指紋使用物理、化學或生物的方法（或以上幾種方法的混合）使之變為人眼可見的指紋；指紋鑒定是指將現場收集或顯現出的指紋與嫌疑人的指紋捺印樣本進行比較，判斷兩者是否同一；AFIS利用計算機對指紋進行自動分類處理、存儲建庫、比對檢索及應用管理的系統，是IT和計算機技術在指紋鑒定中的應用。

長期以來，指紋技術與DNA和毒品分析等技術相比，發展較為緩慢。然而，自從2000年起，隨著基礎科學技術的發展及其在法庭科學領域的應用，指紋技術在以下領域得到了迅速的發展。

1　熒光技術

茚三酮是生物學上使用的一種氨基酸顯現試劑，于20世紀50年代應用到指紋顯現中，成為滲透性客體上手印顯現的最有效和應用最為廣泛的試劑之一［1］。受茚三酮的啟發，20世紀90年代，DFO（1，8二氮芴-9-酮）被應用到指紋顯現中。DFO是一種熒光試劑，與氨基酸反應之后，呈淡紫色。DFO的顯現靈敏度一般被認為是茚三酮的四倍左右。20世紀末，人們又發明了茚二酮。茚二酮既是顯色試劑，又具有熒光，兼具茚三酮和DFO的優點，靈敏度也高于茚三酮，已經在西方發達國家的指紋檢驗實驗室廣泛使用［4］。除了DFO及茚二酮等兩種重要的熒光試劑外，人們又合成了多種熒光試劑并且應用到指紋顯現中，并且與納米粒子、免疫學技術等結合［5-10］。可以說，熒光技術是指紋顯現中目前最為重要的技術之一。

2　納米粒子

Menzel等［11-12］在熒光半導體納米粒子（量子點）顯現指紋方面進行了開創性的工作，他們的工作主要集中在ZnS，CdS，CdSe，CdTe，InP，InA等高熒光效率量子點上。量子點具有獨特的優勢，其吸收和發射波長可以根據粒徑大小來調節。在Menzel等的研究中，量子點是用于氰基丙烯酸酯（502膠）熏顯后的染色，在溶液狀態下，硝酸鎘與硫酸鈉形成了CdS量子點并連接其他配體，形成了量子點（樹形）復合物（dendrimer），然后被502熏顯后的檢材浸泡在量子點復合物溶液中幾個小時，使復合物和手印充分結合。值得注意的是，這種量子點復合物只與502熏顯后的手印結合，不吸附在未熏顯后的手印上。Bouldin等［5］進一步發展了此項方法，使用二酰亞胺在指紋顯現前處理手印，使指紋成分中的羧酸基團轉化為酯類，然后與量子點配合物反應，生成酰胺類化合物，從而進一步提高了指紋顯現效果。總之，CdS復合物提高了納米顆粒和指紋物質的結合力，為指紋的粉末顯現指出了一個新的方向。當然，這種復合物合成稍顯困難，操作繁瑣，顯現時間長，限制了其進一步應用。但無可置疑的是熒光試劑在納米級別上的應用是指紋顯現技術發展的一個重要方向。例如，Jin項目組使用CdS配體顯現油脂手印同樣取得了很好的效果［13］。

3　免疫技術和適配體技術

免疫技術是一類非常靈敏的技術。Spindler等［15］使用抗左旋氨基酸抗體（作為一抗）與指紋中的氨基酸反應，經過金標放大，并連接帶熒光標簽的二抗將指紋顯現出來。實驗中發現，這項技術對非滲透性客體上的陳舊和干燥手印更有效，而對新鮮手印效果稍差。受此影響，Wood等［14，16］使用基于適配體（aptamer）的試劑探測非滲透性客體上的手印同樣取得了進展。一些使用此方法顯現出的手印能夠清晰顯現出三級特征，并具有高度的選擇性和靈敏性，例如在顯現聚偏二氟乙烯膜（PVDF膜）上指紋時可以清晰的觀察到：基于適配體的試劑只與指紋的紋線結合，小犁溝內沒有任何試劑殘留（圖1）。適配體已經在生物醫學上得到了廣泛的應用，考慮到其特性，這種基于適配體的指紋顯現方法潛力巨大，但仍應進一步完善，尤其是在日常案舍中常見的和疑難客體上的應用。理論上，適配體有成千上萬種，使得適配體可以解決現在許多疑難客體上的手印顯現難題。并且，基于適配體的試劑在指紋顯現的同時，并可以提供指紋上物質或指紋供體信息，如指紋上粘附的毒品和爆炸殘留物等，這樣就可以進行犯罪嫌疑人的刻畫分析。

圖1　使用基于適配體技術顯現PVDF膜上的手印［14］

4　疑難客體上的手印顯現技術

在實際案舍中，遺留指紋的表面是多種多樣的，經常會遇到一些指紋顯現的疑難客體，例如人體皮膚、衣物、聚合物鈔票、膠帶粘面和熒光、花紋干擾等的表面，這些表面上的指紋顯現是指紋學家亟待解決的難題。

Jones等［17］使用502熏顯/羅丹明6g染色混合真空金屬鍍膜法（VMD）來檢測澳大利亞聚合物鈔票上的手印。澳大利亞聚合物鈔票是指紋顯現的疑難表面，是由聚氨酯化合物，上面染上多種色素和圖案，并且這些色素大都具有廣譜熒光。采用502熏顯/羅丹明6g染色+真空金屬鍍膜法（VMD）能夠顯現其上面的新鮮手印。

馬榮梁等［18-19］采用了基于炭黑的懸浮液來顯現膠帶粘面上的手印，在手印顯現之前，并采用了若干有機溶劑如丁酮等剝離膠帶。碳素墨水也經常用來顯現膠帶粘面上的手印，因為碳素墨水同樣是炭黑的膠體溶液，使用這種方法已經成功地在多起案例中成功地顯出了手印。

馬榮梁等［20-22］研究了上轉換發光粒子在有背景干擾的疑難客體上的手印顯現應用上轉換發光粒子是一種特殊的物質，在長波長光的激發下，能夠發出短波長光。上轉換發光物質在天然存在物質中分布很少，一般為稀土化合物。在日常生活中的物品中幾乎不存在。因此，使用紅外激發上轉換發光的物質顯現指紋并產生可見熒光，在黑暗背景下激發背景物質是不產生可見熒光的，理論上可以得到黑暗背景中發出明亮熒光的手印，解決背景干擾的難題。上轉換發光粒子已經成功地在多個疑難客體上顯現出清晰的手印，如澳大利亞聚合物鈔票（圖2）。

圖2　5澳元鈔票上的新鮮指紋［21］

5　時間分辨（time-resolve，TR）和相分辨（phaseresolve，PR）技術

時間分辨和相分辨技術也是熒光技術的一種。時間分辨技術能夠解決傳統熒光技術解決不了的難題，通常時間分辨和相分辨技術需要使用復雜的大型儀器設備，例如脈沖式激光和照相裝置。時間分辨技術已被應用到一些指紋的顯現［23-25］。但時間分辨技術并不是最新的技術，而是由Murdock和Menzel 在20世紀90年代發明的［26］。時間分辨技術的主要原理是基于背景和指紋顯現試劑在熒光壽命上的差別［27］。在時間分辨技術中，熒光壽命是指熒光被激發后的平均衰減時間［25］。時間分辨技術已經被廣泛地應用到生物醫學中，但目前在指紋中使用的還不多。但現在如指紋試劑與背景在熒光壽命上有毫秒級、微秒級甚至納秒級的區別，時間分辨技術就能夠得到較好的結果（圖3）。通常時間分辨技術需要復雜昂貴的儀器設備如激光器、CCD相機、圖像增強裝置、時間控制裝置等，這個特點限制了時間分辨技術的廣泛應用，但其能夠成功地解決背景圖案及熒光的干擾。

圖3　使用blitz-gree粉末顯現明信片上的手印［25］

相解決技術是比時間解決技術更復雜一些的技術，但理論上兩者類似［28-29］。相解決技術是基于熒光相位的不同，在相解決技術中，指紋同樣使用脈沖式激光激發，指紋的熒光和背景的熒光將被進行相位的轉移，從而指紋和背景熒光的頻率（波長）發生了變化，最后導致指紋被從背景中“分離”出來。在相分辨技術中，即使熒光試劑的熒光壽命比背景熒光壽命短，也能夠成功顯現指紋，而在時間分辨技術中，有時就不太可能。此外，相分辨技術比時間分辨技術的反差要好［28］。當然，相分辨技術同樣需要使用大型昂貴的儀器設備，從而限制了其被廣泛應用。

6　光譜成像技術

迄今為止，光譜成像技術可能是指紋學家獲得的最強大的武器。光譜成像目前使用最多的紅外和紫外及可見光光譜成像，事實上，拉曼成像、X射線熒光成像和質譜成像也已經開始在指紋顯現中應用［30］。使用光譜成像獲取指紋影像的同時，指紋中的某些成分同時也能夠被探測出來［31］。理論上，光譜成像技術能夠解決指紋顯現中的最具挑戰性的難題。

紅外光譜成像在指紋顯現中的應用是由澳大利亞悉尼科技大學Tahtouh等［32-35］進行了嘗試。在光譜成像之前，指紋先使用氰基丙烯酸酯熏顯，這些丙烯酸酯是經過特殊合成，使其具有某些在紅外光譜區具有強烈的吸收。幾種疑難客體上的手印使用這種方法進行了檢測，包括澳大利亞的聚合物鈔票。結果表明：光譜成像對一系列疑難客體上的手印顯現都非常有效，例如在澳大利亞的鈔票上，顯出的指紋可以看出清晰的三級特征，而一般使用其他方法是無法達到的（圖4）。在Tahtouh等的工作之后，光譜成像開始在法庭科學的各個領域廣泛應用，并取得了長足的進展。

圖4　在5澳元紙幣上使用氰基丙烯酸乙酯熏顯后的手印［36］

7　被生物、化學及核危害物質（核化生）污染后的客體上的指紋顯現

“911”之后，在美國發生的“炭疽恐怖襲擊”使被核化生災害事舍中的物證鑒定成為法庭科學家面臨的嚴峻挑戰。Hoile等［37］在多種的滲透性和非滲透性客體遺留了手印，然后使用炭疽孢子污染，接著使用甲醛氣體進行去污染，在炭疽孢子完全被滅活之后，再使用一系列方法進行手印的顯現。研究發現：甲醛氣體能夠有效地殺滅炭疽孢子，但同樣會使氨基酸降解，導致指紋紋線部分缺失。經過進一步的改進，最終建立了一套程序，能夠在一小時內對炭疽孢子滅活并且完成指紋的顯現（圖5）。

圖5　紙張上的手印使用甲醛滅活炭疽孢子之后用物理顯影液顯現［37］

以上就是指紋顯現技術近期發展的一些成果。除了指紋顯現技術以外，指紋技術仍存在著一些熱點方向，如指紋遺留時間的確定，指紋鑒定的概率化表達及建設更強大的指紋自動識別系統等。但指紋顯現技術作為指紋技術的基石，地位仍然沒有改變，只有從現場提取更多的指紋，才能夠為自動識別系統提供更多的素材，并進行犯罪嫌疑人的認定。指紋顯現技術的進步將會隨著基礎科學的發展進步而進步，特別是生物化學、儀器分析化學技術的應用，給指紋顯現技術提供了強大的武器。可以預料，在不久的將來，指紋顯現技術將會得到迅速的發展。

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（本文編輯：錢煌貴）

鑒定論壇

Future Direction of Latent Fingerprints Development Techniques

MA Rong-liang1，ZHAO Yue2，GAO Feng3，HAN Ke1
（1. Institute of Forensic Science，Ministry of Public Security Bureau，Beijing 100038，China；2. The Rublic Security Bureau of Xicheng District，Beijing 100055，China；3. Department of Vessel Command Maritime Police Academy，Ningbo 315801，China）

Abstract：Fingerprint is one of the most classic forensic evidence. The development of latent fingerprints is the basis of fingerprints identification and automated fingerprints identification system（AFIS）. Based on the development and application of modern science and technology，latent fingerprints development techniques will advance in the following areas：luminescent reagents，especially the analogs of ninhydrin，such as DFO and indanedione；nanoparticles，due to their specific advantages such as sensitivity and selectivity；immuno and aptamer techniques；the development of latent fingerprints on the surface of difficult objects；time-resolve and phase-resolve techniques；spectral imaging；the development of latent fingerprints on the objects contaminated by biological，chemical and nuclear hazardous materials.

Key words：fingerprint development；luminescent；immunological technique；immuno；time-resolve technique；spectral imaging

中圖分類號：DF794.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1671-2072.2016.02.012

文章編號：1671-2072-（2016）02-0064-06

收稿日期：2015-10-12

基金項目：公安部物證鑒定中心基本科研業務費專項資金項目（2013JB015）

作者簡介：馬榮梁（1975—），男，副研究員，博士，主要從事指紋檢驗技術研究。Email：marl2013@163.com。