基于扫描电化学显微镜的高分辨率血潜指纹图像采集方法
【专利摘要】本发明涉及采用扫描电化学显微镜（SECM）和银染技术相结合高分辨率地采集血潜指纹图像的方法，属于指纹鉴别【技术领域】。本方法首先利用Ag+离子与指纹嵴线区域血液中的蛋白成分结合并被还原为具有电化学活性的Ag纳米粒子，而不与谷线区域基底反应的原理，使指纹嵴线与谷线区域形成电化学活性差异；然后在溶液中加入氧化还原介质K3IrCl6，利用其与嵴线区域Ag金属粒子反应产生正反馈效应，而不与谷线区域反应的原理，进行基于SECM技术的血指纹图像采集。该方法最突出的优点是图像分辨率高，可以采集到第三水平的指纹信息，是一种非常理想的血潜指纹高分辨率图像采集方法。因此，该方法在指纹鉴别领域具有很好的应用前景。
【专利说明】基于扫描电化学显微镜的高分辨率血潜指纹图像采集方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及采用扫描电化学显微镜(SECM)和银染技术相结合高分辨率地采集血潜指纹图像的方法，属于指纹鉴别【技术领域】。
【背景技术】
[0002]在凶杀、抢劫等重大恶性案件中，现场经常会遗留下血指纹，有效的指纹显现和图像采集能为案情的侦破提供重要线索和有力证据。因此，在犯罪现场发现和提取血指纹是非常重要的。血指纹通常分为两类:一类是可见的血指纹，指深红色的血纹线与基底背景之间存在较大的反差而明显可见的指纹；另一类是潜在的血指纹，指含血量较少或遗留在深色基底表面上的微弱或不清楚的指纹。对于潜血指纹，通常需要使用特殊拍照方法、化学试剂和物理材料进行处理，使其显现或增强。
[0003]指纹图像包括三个水平的信息:第一水平——指纹的轮廓，如斗形纹、簸箕形纹线；第二水平——指纹中纹线的走向，如纹线的终结、分叉、岛形纹等；第三水平——指纹嵴上汗孔的形状和相对位置。目前取得的指纹图像以第一水平和第二水平为主，可取得第三水平指纹图像信息的方法极少，而在犯罪现场，嫌犯留下的指纹千变万化，其中一些残缺的指纹通过第一、二水平的信息尚不足以进行身份认证，因此迫切需要发展高分辨率的图像采集方法和技术。
[0004]指纹采集的过程本质上是指纹成像的过程。其原理是根据嵴与峪的几何特性、物理特征和生物特性的不同，以得到不同的反馈信号，根据反馈信号的量值绘成指纹图像。指纹图像的好坏会直接影响到识别的精度以及指纹识别系统的处理速度。高质量的指纹图像可以大大简化指纹图像处理的算法，提高识别率。因此指纹采集技术是指纹识别系统的关键技术之一。目前，高质量的指纹采集技术已成为具有广阔应用前景的重要研究课题。
[0005]目前市场上指纹采集根据信号转换器技术的不同主要分为三大类:光学指纹采集、半导体指纹采集和超声波指纹采集。但还存在着成像分辨率不高、成本较高和采集过程繁琐。我们知道，电化学转换器件具有较高的灵敏度，易微型化，易集成化，能在浑浊的溶液中操作等许多优势，并且所需的仪器简单、便宜，因而已被广泛应用于传感器的制备中，如电化学DNA传感器、电化学酶传感器、电化学免疫传感器、电化学细胞传感器等。但扫描电化学显微镜在血潜指纹高分辨率图像采集中的应用至今还没有报道过。
[0006]SECM是扫描探针显微技术的一种，它可以利用基底材料表面化学反应活性的不同而对基底的形貌进行成像。本发明为了取得高分辨率的血指纹检测图像，首次将扫描电化学显微镜用于血潜指纹的检测，发明了一种可以稳定地取得指纹第三水平信息的高分辨率血指纹图像采集方法。本发明的原理是，血液中所含蛋白成分可与Ag+离子结合并还原为具有电化学活性的Ag纳米粒子，而人体汗腺分泌物也含有蛋白成分，因此理论上也可以应用于汗潜指纹和油潜指纹的高分辨率成像。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是:针对目前血指纹检测技术存在的图像采集分辨率低，亟需发展能提供第三水平指纹信息的检测技术的需求，首次将扫描电化学显微镜技术应用于血指纹的图像采集。本发明具有简单、可在溶液中进行、对操作人员无害、成像高分辨率的优点。
[0008]本发明采用扫描电化学显微镜对绝缘基底(如聚偏二氟乙烯膜，聚苯二甲酸乙二酯)表面Ag纳米颗粒标记的血潜指纹进行扫描成像。其特点是首先利用Ag+离子与指纹嵴线区域血液中的蛋白成分结合并还原为具有电化学活性的Ag纳米粒子，而不与谷线区域基底反应的原理，使指纹嵴线与谷线区域形成电化学活性差异；再利用扫描电化学显微镜对标记成功的血指纹样品进行图像采集，原理是在溶液中加入氧化还原介质K3IrCl6后，其在探针上产生的氧化剂氧化Ag金属粒子为Ag+溶解到溶液中，这一过程会使得探针电流显著增加；而指纹谷线区和基底因为不含Ag金属粒子而没有这样的正反馈效应，从而实现高分辨率的血潜指纹图像采集。
[0009]该方法具体操作包括以下步骤:
[0010]I)以碳酸钠为原料配制储备溶液A，硝酸铵、硝酸银、矽钨酸、甲醛为原料配制储备溶液B，反应时以一定比例混合作为Ag纳米颗粒标记血指纹的溶液。
[0011]2)志愿者将手洗干净，手指蘸取全血，在绝缘基底上按捺新鲜血指纹。
[0012]3)将步骤I)制得的贮备溶液按一定体积比混合均匀，把指纹样品置于混合液中，在振汤器中进彳丁标记。
[0013]4)配制电化学反应溶液,打磨扫描探针,设定扫描参数,利用扫描电化学显微镜对标记成功的血指纹样品进行图像采集实验。
[0014]上述步骤I)具体包括以下步骤:
[0015](I)将1.25g碳酸钠溶解，转移至25mL容量瓶中，超纯水定容，称为储备溶液A。
[0016](2)将0.05g硝酸铵，0.05g硝酸银，0.25g矽钨酸，125 μ L甲醛放入小烧杯中溶解，转移至25mL容量瓶中，超纯水定容，称为储备溶液B。
[0017]上述步骤2)具体包括以下步骤:
[0018](I)从医院获取健康人的全血液。
[0019](2)志愿者将手洗净，晾干，手指蘸取全血，将多余的血液在另一只手的掌心抹去，涂匀，以适度的力量按压在绝缘基底上，得到新鲜的血指纹。
[0020]上述步骤3)具体包括以下步骤:
[0021](I)使用1%的乙酸钠或乙醇溶液对指纹固定15min，取出后用超纯水冲洗I~2min ;再放入0.1%硫代硫酸钠溶液中活化15min,取出后用超纯水冲洗I~2min。
[0022](2)将储备溶液A和B按体积比1:1混合均匀，将指纹样品置于混合液中，在振荡器中进行标记。
[0023](3)指纹显现后，将样品放入10%的乙酸溶液中IOmin使反应停止，取出后用超纯水冲洗，晾干。
[0024]上述步骤4)具体包括以下步骤:
[0025](I)配制以KNO3作为支持电解质，以一定浓度的K3IrCl6(或可以产生可氧化银的其它化合物)作为氧化还原介质的电化学反应溶液；配制KNO3作为电化学反应液的方法为:称取 0.0261g K3IrCl6和 0.2528g KNO3，溶解，配制成浓度为 2mmol/L K3IrCl6+0.lmol/L KNO30
[0026](2)用砂纸将底端密封的直径为25 μ m的圆盘钼微电极进行打磨，使其尖端成为圆锥形，并满足玻璃外壳半径和与尖端半径之比小于10，作为血指纹图像采集的探针。
[0027](3)成像之前对微电极状态进行表征，并利用渐近曲线靠近基底。
[0028](4)以直径为25 μ m的圆盘微电极为工作电极，Ag丝为准参比电极，Pt丝为对电级，设定探针电位为0.8V、扫描速率为640 μ m/s，选择合适的扫描范围，在反馈模式下进行扫描电化学显微镜成像实验。
[0029]所述的Ag纳米颗粒标记血指纹可以用铜纳米颗粒标记血指纹取代，只是将Ag纳米颗粒换成Cu纳米颗粒,硝酸银换成硝酸铜或硫酸铜。原理上也可以是其他金属材料如铁、铅、铝、镁、锌等标记的血潜指纹。
[0030]所述的检材基底是渗透性或半渗透性材料，如聚偏二氟乙烯膜(PVDF)，聚苯二甲酸乙二酯(PET)等。
[0031]本发明利用扫描电化学显微镜对血潜指纹进行图像采集，丰富了血潜指纹显现的方法种类，完善了目前血潜指纹显现方法在提供第三水平信息方面的缺失。该方法具有以下优点:
[0032](1)所用试剂稳定，对操作人员的身体健康伤害小；
[0033](2) Ag纳米粒子标记血指纹技术简单；
[0034](3)显现后采集的指纹图像分辨率高，可以提供清晰的二级水平和三级水平的指纹信息；
[0035]( 4 )该方法可用于渗透性或半渗透性基底；
[0036](5)该方法原理上可用于血潜指纹、汗潜指纹和油潜指纹。
[0037]利用扫描电化学显微镜得到高分辨率的血潜指纹图像，指纹纹线上的汗孔大小、形状、相对位置以及分布情况清晰可见。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]图1是本发明对血指纹进行Ag金属粒子标记前后效果对比图。(a)是聚偏二氟乙烯膜(PVDF)基底上标记效果对比图，(b)是聚苯二甲酸乙二酯(PET)基底上标记效果对比图，两张图片左半部分为标记前的新鲜血指纹，右半部分为标记后的指纹。
[0039]图2是本发明在不同基底上，利用扫描电子显微镜(SEM)和扫描电化学显微镜(SECM)技术对Ag金属粒子标记的血指纹采集图像的对比。(a)是聚偏二氟乙烯膜(PVDF)基底上Ag金属粒子标记的血指纹照片，(b)是聚偏二氟乙烯膜(PVDF)基底上Ag金属粒子标记血指纹的SEM图像，(c)是聚偏二氟乙烯膜(PVDF)基底上Ag金属粒子标记血指纹的SECM图像，Cd)是聚苯二甲酸乙二酯(PET)基底上Ag金属粒子标记的血指纹照片，Ce)是聚苯二甲酸乙二酯(PET)基底上Ag金属粒子标记血指纹的SEM图像，Cf)是聚苯二甲酸乙二酯(PET)基底上Ag金属粒子标记血指纹的SECM图像。
【具体实施方式】
[0040]下面结合实例来进一步说明本发明，此实例仅用于具体说明，而不仅限于本发明的实际应用范围。
[0041]实施例1
[0042]以半渗透性基底聚偏二氟乙烯膜(PVDF)表面的血指纹检测为例，具体操作有以下步骤:
[0043](I)将1.25g碳酸钠溶解，转移至25mL容量瓶中，超纯水定容，称为储备溶液A。
[0044](2)将0.05g硝酸铵，0.05g硝酸银，0.25g矽钨酸，125 μ L甲醛放入小烧杯中溶解，转移至25mL容量瓶中，超纯水定容，称为储备溶液B。
[0045](3) PVDF膜先在甲醇中浸泡I~2s，浸透后再在水中浸泡I~2min，按捺指纹前必须保持膜体湿润。
[0046](4)志愿者用香皂将手洗净，晾干，手指蘸取健康人体全血液，将多余的血液在另一只手的掌心抹去，涂匀，以适度的力量按压在湿润的PVDF膜上，得到新鲜的血指纹。
[0047](5)使用1%的乙酸钠溶液对指纹固定15min，取出后用超纯水冲洗I~2min ;再放入0.1%硫代硫酸钠溶液中活化15min，取出后用超纯水冲洗I~2min。
[0048](6)将储备溶液A和B按体积比1:1混合均匀，将指纹样品置于混合液中，在振荡器中进行标记。
[0049](7)指纹显现后，将样品放入10%的乙酸溶液中IOmin使反应停止，取出后用超纯水冲洗，晾干。
[0050](8)称取 0.0261g K3IrCl6 和 0.2528g KNO3,溶解，配制成浓度为 2mmol/LK3IrCl6+0.lmol/L KNO3作为电化学反应液。
[0051](9)用砂纸将底端 密封的直径为25 μ m的圆盘钼微电极进行打磨，使其尖端成为圆锥形，并满足玻璃外壳半径和与尖端半径之比小于10。成像之前对微电极状态进行表征，并利用渐近曲线靠近基底。
[0052](10)以直径为25 μ m的圆盘微电极为工作电极，Ag丝为准参比电极，Pt丝为对电级，设定探针电位为0.8V、扫描速率为640 μ m/s，选择合适的扫描范围，在反馈模式下进行扫描电化学显微镜成像实验。
[0053]实施例2
[0054]以半渗透性基底聚苯二甲酸乙二酯(PET)表面的血指纹检测为例，具体操作有以下步骤:
[0055](I)将1.25g碳酸钠溶解，转移至25mL容量瓶中，超纯水定容，称为储备溶液A。
[0056](2)将0.05g硝酸铵，0.05g硝酸银，0.25g矽钨酸，125 μ L甲醛放入小烧杯中溶解，转移至25mL容量瓶中，超纯水定容，称为储备溶液B。
[0057](3) PET在乙醇和水中分别超声清洗15min，氮气吹干。
[0058](4)志愿者用香皂将手洗净，晾干，手指蘸取健康人体全血液，将多余的血液在另一只手的掌心抹去，涂匀，以适度的力量按压在PET上，得到新鲜的血指纹。
[0059](5)用无水乙醇固定指纹,取出后用超纯水冲洗I~2min ;再放入0.1%硫代硫酸钠溶液中活化15min，取出后用超纯水冲洗I~2min。
[0060](6)将储备溶液A和B按体积比1:1混合均匀，将指纹样品置于混合液中，在振荡器中进行标记。
[0061](7)指纹显现后，将样品放入10%的乙酸溶液中IOmin使反应停止，取出后用超纯水冲洗，晾干。
[0062](8)称取 0.0261g K3IrCl6 和 0.2528g KNO3,溶解，配制成浓度为 2mmol/LK3IrCl6+0.lmol/L KNO3作为电化学反应液。[0063](9)用砂纸将底端密封的直径为25 μ m的圆盘钼微电极进行打磨，使其尖端成为圆锥形，并满足玻璃外壳半径和与尖端半径之比小于10。成像之前对微电极状态进行表征，并利用渐近曲线靠近基底。
[0064](10)以直径为25 μ m的圆盘微电极为工作电极，Ag丝为准参比电极，Pt丝为对电级，设定探针电位为0.8V、扫描速率为640 μ m/s，选择合适的扫描范围，在反馈模式下进行扫描电化学显微镜成像实验。
【权利要求】
1.一种基于扫描电化学显微镜的高分辨率血潜指纹图像采集方法，其特征在于，首先利用Ag+离子与指纹嵴线区域血液中的蛋白成分结合并还原为具有电化学活性的Ag纳米粒子，而不与谷线区域基底反应的原理，使指纹嵴线与谷线区域形成电化学活性差异；然后在溶液中加入氧化还原介质K3IrCl6,利用K3IrCl6与嵴线区域Ag金属粒子反应产生正反馈效应，而不与谷线区域反应的原理，进行基于SECM技术的血指纹图像采集；步骤如下: 1)以碳酸钠为原料配制成储备溶液A，以硝酸铵、硝酸银、矽钨酸、甲醛为原料配制储备溶液B，反应时以一定比例混合A和B作为Ag纳米颗粒标记血指纹的溶液； 2)志愿者将手洗干净，手指蘸取全血，在基底上按捺新鲜血指纹； 3)将步骤I)制得的贮备溶液按一定体积比混合均匀，把血指纹样品置于混合液中，在振荡器中进行标记； 4)配制电化学反应溶液，打磨扫描探针，设定扫描参数，利用扫描电化学显微镜对标记成功的血指纹样品进行图像采集。
2.根据权利要求1所述的基于扫描电化学显微镜的高分辨率血潜指纹图像采集方法，其特征是:所述的步骤(1)具体包括: 将碳酸钠溶液配制成浓度范围0.45-0.50mol/L的溶液，称为储备溶液A ;配制含有各成分浓度比硝酸铵:硝酸银:矽钨酸:甲醛=6:3:1:50的溶液，称为储备溶液B ;银染标记血指纹时将储备溶液A和B按一定体积比混合均匀。
3.根据权利要求1所述的基于扫描电化学显微镜的高分辨率血潜指纹图像采集方法，其特征是:所述的步骤(2)具体包括: 志愿者将手洗净，晾干，手指蘸取全血，将多余的血液在另一只手的掌心抹去，涂匀，以适度的力量按压在基底上，得到新鲜的血指纹。
4.根据权利要求1所述的基于扫描电化学显微镜的高分辨率血潜指纹图像采集方法，其特征是:所述的步骤(3)具体步骤包括: (O使用1%的乙酸钠或乙醇溶液对指纹固定15min，取出后用超纯水冲洗I~2min ；再放入0.1%硫代硫酸钠溶液中活化15min，取出后用超纯水冲洗I~2min ； (2)将储备溶液A和B按体积比1:1混合均勾，将血指纹样品直于混合液中，在振汤器中进行标记； (3)指纹显现后，将血指纹样品放入10%的乙酸溶液中IOmin使反应停止，取出后用超纯水冲洗，晾干。
5.根据权利要求1所述的基于扫描电化学显微镜的高分辨率血潜指纹图像采集方法，其特征是:所述的步骤(4)具体包括: 配制以KNO3作为支持电解质，以一定浓度的K3IrCl6作为氧化还原介质的电化学反应溶液；用砂纸将底端密封的直径为25 μ m的圆盘钼微电极进行打磨，使其尖端成为圆锥形，并满足玻璃外壳半径和与尖端半径之比小于10，作为血指纹图像采集的探针。
6.根据权利要求1所述的基于扫描电化学显微镜的高分辨率血潜指纹图像采集方法，其特征是:所述的扫描电化学显微镜的电化学池构成及扫描参数为: 工作电极:直径为25 μ m的圆盘微电极；准参比电极:Ag丝；对电级:Pt丝；探针电位:0.8V ;银标记的血指纹样品固定在电解池的底部；扫描电化学显微镜设定为反馈模式。
7.根据权利要求1所述的基于扫描电化学显微镜的高分辨率血潜指纹图像采集方法，其特征是:所述的Ag纳米颗粒标记血指纹能用铜纳米颗粒标记血指纹取代，只是将Ag纳米颗粒换成Cu纳米颗粒， 硝酸银换成硝酸铜或硫酸铜。
8.根据权利要求1所述的基于扫描电化学显微镜的高分辨率血潜指纹图像采集方法，其特征是:所述的基底聚偏二氟乙烯膜或聚苯二甲酸乙二酯。
【文档编号】A61B5/117GK103598890SQ201310562591
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月13日 优先权日:2013年11月13日
【发明者】张学记, 武文锦, 张亭, 朱雨, 张美芹 申请人:北京科技大学