基于金石墨纳米囊颗粒的潜指纹成像、残留物检测系统及其成像方法

摘要

本发明提供了一种基于金石墨纳米囊颗粒的多材料基底通用的潜指纹成像、残留物检测系统及其成像方法，指纹明场显影模块包括孵育池和清洗池，带有潜指纹的基底在孵育池完成金石墨纳米囊颗粒的自组装，基底在清洗池除去非特异性吸附；残留物检测模块利用共聚焦拉曼显微镜，检测待测残留物的拉曼信号强度，从而确定待测残留物的分子结构。本发明的GIAN颗粒能够在潜指纹上完成致密且清晰的自组装，基于潜指纹和水相孵育液的界面自组装，可大大减少不同基底材料对系统的影响，从而可以构建独立于基底的表面增强拉曼散射平台，提高系统的普适性，实现多种基底上潜指纹的成像及检测。

说明书

技术领域

本发明涉及微量检测技术领域，具体涉及一种基于金石墨纳米囊颗粒的潜指纹成像、残留物检测系统及其成像方法。

背景技术

指纹是个体所独有的纹路，并在整个生命周期中都保持不变。当指尖触摸固体表面时，将留下称为“潜在指纹”的指脊印记。潜指纹作为一个数据库包含一个人的身份和化学信息，它在安全检查，文件认证和生物分析等各个领域发挥了至关重要的作用。常规指纹显影方法包括粉末法，碘 /氰基丙烯酸酯熏雾法和其他化学方法等已被广泛用于潜指纹成像，但它们仍受到诸如选择性低，背景干扰和化学信息不足等局限性的困扰。

近年来，更多的新技术被用来解决潜指纹成像的上述限制，例如荧光光谱，质谱和表面增强拉曼散射光谱等方法。尤其是基于表面增强拉曼散射光谱的潜指纹成像和检测方法因其出色的抗背景干扰，高灵敏度和多组分检测能力而备受关注。例如基于潜指纹中的天然氨基酸信号，实现了金纳米膜上的SERS成像。或者利用一种针对溶酶体的适配体修饰金纳米探针，然后根据金纳米探针上拉曼报告子的信号变化实现了潜指纹的SERS 成像。尽管基于SERS的技术已经在潜指纹成像和指纹残留物检测方面取得了重大进展。然而，大多数工作是基于免疫/适体识别，或直接将潜指纹的本征拉曼信号用于潜指纹分析，这些研究中探针的合成步骤往往十分繁琐，或者成像分辨率较低且分析性能有限。

金石墨纳米囊颗粒，由于其内部的金核具有出色的SERS增强效果，外层石墨烯不仅表现出稳定而尖锐的D和G峰，而且可以淬灭潜指纹的背景荧光。最重要的是，由于液液两相界面处较低的界面张力以及金石墨纳米囊在两相中较低的溶解度，金石墨纳米囊颗粒能够在水-脂质两相之间实现自组装。而潜指纹的主要成分是甘油酯，蜡酯，角鲨烯等脂质，因此，我们通过研究发现，金石墨纳米囊颗粒可以自组装在潜指纹与指纹孵育液之间的界面上，以进行潜指纹的成像和检测。

发明内容

为了克服现有技术上的问题，本发明提供一种基于金石墨纳米囊颗粒的潜指纹成像、残留物检测系统及其成像方法，利用潜指纹和水相孵育液界面，构建独立于基底的表面增强拉曼散射界面，能够清晰地成像指纹的三级细节，为潜指纹的检测和成像提供了一种简便，高分辨率和通用的系统和方法。

本发明提供以下技术方案：

一种基于金石墨纳米囊颗粒的多材料基底通用的潜指纹成像、残留物检测系统，包括指纹明场显影模块及残留物检测模块，所述指纹明场显影模块包括孵育池和清洗池，带有潜指纹的基底在孵育池完成金石墨纳米囊颗粒的自组装，所述基底在清洗池除去非特异性吸附；

所述残留物检测模块利用共聚焦拉曼显微镜，检测待测残留物的拉曼信号强度，从而确定待测残留物的分子结构。

进一步地，所述残留物检测模块对被自组装金石墨纳米囊颗粒增强过的待测残留物进行表征，通过特征拉曼信号与标准物拉曼谱图对比，确定待测残留物的分子结构。

进一步地，所述系统还包括在指纹明场显影模块下游设有指纹拉曼成像模块，指纹拉曼成像模块利用共聚焦拉曼显微镜对完成石墨纳米囊颗粒自组装的所述基底进行拉曼成像。

进一步地，所述金石墨纳米囊颗粒为40-60nm的金纳米颗粒核，在其外部完整包覆的1-5nm的石墨烯外壳。

进一步地，所述孵育池的孵育液由金石墨纳米囊颗粒与小分子有机酸酸溶液组成，所述清洗池的清洗液可以是纯水或pH为2.7的柠檬酸、乙酸、丙酸洗液。

进一步地，所述小分子有机酸为柠檬酸、乙酸、丙酸中的任意一种。

进一步地，所述共聚焦拉曼显微镜参数为设置步长为50*50μm，扫描波数范围为900-1800cm-1，激光波长为633nm，曝光时间0.01s，累积次数1次。

一种指纹明场显影模块的成像方法，包括以下步骤：

1)将70mg/mL的石墨纳米囊溶液加入pH为2.7的柠檬酸溶液中，再加入表面活性剂吐温20，三者的体积比为1:3:1-1:5:1，经超声120-150s 后，制得孵育液，放入孵育池；

2)将带有指纹的基底放入孵育池中室温静置，孵育10min；

3)将基底放入清洗池中，摇晃除去非特异性吸附的金石墨纳米囊颗粒；

4)对基底进行明场成像。

9、根据权利要求8所述的指纹明场显影模块的成像方法，其特征在于，还包括步骤5)：对明场成像进行灰度分析，根据灰度值变化判断指纹显影对比度，从而判断成像效果。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的GIAN颗粒能够在潜指纹上完成致密且清晰的自组装，基于潜指纹和水相孵育液的界面自组装，可大大减少不同基底材料对系统的影响，从而可以构建独立于基底的表面增强拉曼散射平台，提高系统的普适性，实现多种基底上潜指纹的成像及检测。

2、本发明的系统能够实现潜指纹比色和表面增强拉曼散射双模成像，比色法成像检测速度快，无需复杂的仪器设备，表面增强拉曼散射成像可进一步提高成像的分辨率，两种成像方法均可以清晰地成像指纹的三级细节。特别的，利用拉曼成像还可以解决深色基底上明场成像对比度差等常见问题。

3、本发明的残留物检测模块通过利用石墨纳米囊自组装所形成的表面增强拉曼散射光谱(SERS)基底，大大增强了潜指纹中残留物的拉曼信号，根据指纹残留物所特有的拉曼信号，实现了对潜指纹中含有的外源残留物高灵敏度的检测。

附图说明

图1是本发明实施例中不同材料基底指纹明场显影结果图；

图2是本发明实施例中不同基底成像灰度值的强度变化结果图；

图3是本发明实施例中潜指纹明场成像的结果图；

图4是图3潜指纹明场成像结果的灰度分析结果图；

图5本发明实施例中潜指纹的拉曼成像结果图；

图6是图5潜指纹拉曼成像结果的灰度分析结果图；

图7是黑色玻璃基底和透明玻璃基底分别在指纹明场显影模块及拉曼成像模块中，两种成像的结果对比图；

图8是阿司匹林残留物检测的结果图；

图9是福美双残留物检测的结果图；

图10是结晶紫残留物检测的结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的结构图及具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

金石墨纳米囊颗粒由于自组装在明场下呈深蓝色且由于外层的石墨烯，颗粒具有尖锐高强度的拉曼信号，能够实现孵育过后潜指纹的高清明场以及拉曼双模成像。内部的金核具有出色的SERS增强效果，外层石墨烯不仅表现出稳定而尖锐的D和G峰，而且可以淬灭潜指纹的背景荧光。最重要的是，由于液液两相界面处较低的界面张力以及金石墨纳米囊在两相中较低的溶解度，金石墨纳米囊颗粒能够在水-脂质两相之间实现自组装。而潜指纹的主要成分是甘油酯，蜡酯，角鲨烯等脂质，因此，我们通过研究发现，金石墨纳米囊颗粒可以自组装在潜指纹与水相指纹孵育液之间的界面上，以进行潜指纹的成像和检测。

本发明提供了一种基于金石墨纳米囊颗粒的潜指纹成像、残留物检测系统，包括指纹明场显影模块及残留物检测模块，指纹明场显影模块包括孵育池和清洗池，带有潜指纹的基底在孵育池完成金石墨纳米囊颗粒的自组装，基底在清洗池除去非特异性吸附；

残留物检测模块利用共聚焦拉曼显微镜，通过检测残留物的拉曼信号，从而确定残留物的分子结构。

其中，金石墨纳米囊颗粒为40-60nm的金纳米颗粒核，在其外部完整包覆的1-5nm的石墨烯外壳。

孵育池的孵育液由金石墨纳米囊颗粒与小分子有机酸溶液组成，小分子有机酸为柠檬酸、乙酸、丙酸中的任意一种。清洗池的清洗液可以是纯水或pH为2.7柠檬酸、乙酸、丙酸洗液。

实施例2

本发明提供一种根据指纹明场显影模块的成像方法，包括以下步骤：

1)将石墨纳米囊颗粒加入pH为2.7的柠檬酸溶液中，再加入表面活性剂吐温20，经超声120-150s后，制得孵育液，放入孵育池；

2)将带有指纹的基底放入孵育池中孵育10min；

3)将基底放入清洗池中，摇晃除去非特异性吸附的金石墨纳米囊颗粒；

4)对基底进行明场成像。

优选的，还包括步骤5)，对明场成像进行灰度分析，根据灰度值变化判断指纹显影对比度，从而判断成像效果。灰度值变化明显，证明了指纹显影对比度高，成像效果优异。

将带有潜指纹的不同材料基底在指纹明场显影模块中进行明场成像，图1是不同材料基底指纹明场显影结果图。

如图1所示，本发明能够适用于光滑材料(玻璃，塑料)，半介孔(铝片，铁片)和多孔(蜡纸)等不同材料的基底。图2是不同基底灰度值的强度变化结果，结果显示，在不同基底上指纹显影的灰度值相对强度变化较小，说明本发明指纹明场显影模块能够针对光滑基底、半介孔、多孔材料基底完成高质量指纹显影，成像基底具有普适性。

图3是玻璃基底的明场成像结果图，图4是图3结果图的灰度分析图，结果图能够精确反映指纹的三级结构。一级结构指纹纹路(完整指纹)；二级结构终点、分叉和点状指纹(图中标号1，2，3)；三级结构汗孔等永久性指纹细节(图中标号4)均可完整得到。

图4的灰度结果显示，完整指纹成像上标注的红线所经过指纹纹路灰度值呈上下交替规律变化，说明该方法显影对比度高；在红线经过路径上灰度值差值显著，说明显影纹路清晰明显；灰度值变化规律与指纹显影纹理变化一致，说明显影质量优异真实。

实施例3

本发明的一种基于金石墨纳米囊颗粒的潜指纹成像、残留物检测系统还包括在指纹明场显影模块下游设有指纹拉曼成像模块。指纹拉曼成像模块利用共聚焦拉曼显微镜对完成石墨纳米囊颗粒自组装的所述基底进行拉曼成像。

共聚焦拉曼显微镜参数为设置步长为50*50μm，扫描波数范围为 900-1800cm

图5是在指纹拉曼成像模块使用共聚焦拉曼显微镜对孵育过后的指纹进行拉曼成像的结果。图6是图5潜指纹拉曼成像结果的灰度分析结果图。

由于金石墨纳米囊颗粒有着优异的拉曼信号，可以利用拉曼成像得到清晰的指纹显影，如图5所示，指纹的三级结构，包括一级结构指纹纹路、二级结构，终点、分叉和点状指纹(标号为1，2，3)和三级结构，汗孔等永久性指纹细节(标号为4)均可完整得到。

且图6完整指纹成像上标注的竖线所经过指纹纹路灰度值呈上下规律变化，差值明显，说明该方法显影纹路清晰，对比明显。

图7是黑色玻璃基底和透明玻璃基底分别在指纹明场显影模块及拉曼成像模块中，两种成像的结果对比图，拉曼成像依靠于颗粒的拉曼信号，和背景基底的颜色无关，所以利用拉曼成像可以解决深色基底上明场成像对比度差的问题。本发明将两种成像模块联用，能去除因基底颜色干扰，提高成像精度。

实施例4

在本发明残留物检测模块对被自组装金石墨纳米囊增强过的待测残留物进行表征，通过特征拉曼信号与标准物拉曼谱图对比，确定待测残留物的分子结构。

图8-10是残留物检测实验的结果，先用手指按压药物粉末，药物粉末包括阿司匹林，福美双，结晶紫其中之一，在用刷子将指尖多余的粉末刷掉之后在玻片上按压指纹3s，即可获得含有不同待测物的潜指纹基底。

将所得潜指纹基底在明场显影模块中进行孵育和清洗，得到经金石墨纳米囊组装的指纹，在残留物检测模块做指纹内残留物的SERS检测。

将指纹放置于拉曼共聚焦显微镜载物台进行扫描，扫描波数范围为 0-3000cm

图8中，通过得到的拉曼光谱谱图，在751cm

图9中，通过得到的拉曼光谱谱图，在394cm

图10中，通过得到的拉曼光谱谱图，在917cm

在实施例4中的3种待测物分别归属于日常药物，农药及杀菌药物，证明了可以通过该方法对指纹中含有的日常生活中常见的药物进行检测。

该方法通过利用金石墨纳米囊孵育液独特的优势，实现了颗粒在指纹处快速且致密的自组装，完成了对待测物的原位检测，方便快捷，该组装平台有着优秀的SERS增强效果，能够完成对指纹中待测物的高灵敏度检测，增强因子高达10

增强因子(以结晶紫为模型)EF＝(I

其中N

N

N

R＝2.4，N

Nbulk/Nsurf＝5.6*10

根据结晶紫在增强基底及非增强基底上的拉曼信号

I

EF＝1.2*10

本发明的方法可以通过待测物的拉曼指纹图谱，实现待测物的无标记多成分检测。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。