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奈米技術之指紋顯現應用

自古至今,指紋在犯罪科學中可用來鑑別嫌犯真正身份,或者用於辨別意外罹難或走失者身份。指紋最大的特點就是幾乎沒有人會有相同的紋路,已有研究發現即使是雙胞胎(同卵雙生)也不會有完全相同的指紋紋路
 
 
自古至今,指紋在犯罪科學中可用來鑑別嫌犯真正身份,或者用於辨別意外罹難或走失者身份。指紋最大的特點就是幾乎沒有人會有相同的紋路,已有研究發現即使是雙胞胎(同卵雙生)也不會有完全相同的指紋紋路。
 
指紋是指當一般人的手指表面與某介質有進行接觸時,所殘留在介質上的紋路。指紋不是都可以被肉眼觀察到的,若指紋是殘留在有不透明的介質上(例如血液、顏料、油漆)就可以被肉眼觀察到明顯的指紋痕跡,若是殘留在較為透明的介質上,此時的指紋就很難被發現,這種狀況的指紋通常稱為潛伏指紋,需藉特定之氣體、固體或液體等方法顯現。
 
指紋在介質上的殘留時間與牽涉到許多因素,例如排汗的多寡、汗液成分的比例、現場環境的溫度及狀況、相對濕度、指紋存在物體的性質等。因此一旦指紋遺留在現場,則在一定的時間內,指紋並不會消失,因而成為犯罪現場上重要的證物。因此在有效期間內或在指紋未被破壞前採集到指紋是相當重要的,尤其是如何讓潛伏指紋可以顯現出來也就變成是一個重要的議題。目前用在指紋顯現最常見的方法有粉末法、噴霧法、刷掃法、氣燻法和液浸法等,在本文將介紹新興科技,利用奈米技術將潛伏指紋顯現的方法。

利用金奈米粒子來顯現潛伏指紋的研究已經有部分研究指出其顯現結果相當不錯,最主要是利用金奈米粒子的鮮艷顏色來做為顏色呈現的主要來源,如圖一所示:
 
(圖一)
 
圖二a是利用指紋膠帶採集了一枚潛伏指紋,在正常的狀態下用肉眼是相當難以辨識,但若用金奈米粒子處理此枚潛伏指紋後,可以發現有相當明顯的紋路被顯現出來,且是用肉眼即可輕易辨識。此指紋紋路相當清楚,可以用於後續的指紋辨識,因此將奈米技術應用於指紋顯現是相當有潛力的。截至目前為止,利用奈米技術來顯現潛伏指紋的原理各有不同,但基本的概念是大同小異。
 
(圖二)
 
在了解原理之前,先從指紋的另一個性質說起,當手指與介質接觸時,汗液會從在指紋脊上的汗腺孔排出,其成分有蛋白質、胺基酸、氨、尿素及鹽份等,因此指紋的紋路上都會有這些成分存在,故採取指紋的方式就可分成物理附著法及化學反應法,前者是用非常微小的固体或氣体粒子吸附在汗液的某種成份上,而後者則是用化學藥品與指紋上的特定分子產生作用,然後再呈現顏色。
 
從蛋白質方面來看,溶菌酶(lysozyme)是汗液中佔有最高比例的成分,意即指紋的紋路可以看作為溶菌酶的成分分佈紋路,因此只要利用一個可以專一辨識溶菌酶的抗體(antibody)或適體(aptamer)修飾在金奈米粒子表面,金奈米粒子就可以辨識溶菌酶而抓住溶菌酶上面,導致金奈米粒子可以沿著溶菌酶的分佈位置進行標定,也就是指紋的紋路。
 
(圖三)
 
利用奈米技術顯現潛伏指紋的原理如圖三所示,當在介質上產生潛伏指紋後,雖然肉眼無法看到,但指紋上的汗液分泌物實際上是有殘留,由於溶菌酶的成分是占最大宗,所以大部分人都喜歡用會對溶菌酶具有專一性的抗體修飾在金奈米粒子上,然後將這些金奈米粒子浸泡在介質表面,經過一段時間後在用溶劑沖洗掉未接上溶菌酶的金奈米粒子,便可用肉眼看到明顯的紋路出現,圖三中粉紅色的紋路就是金奈米粒子的顏色,而金奈米粒子有紋路狀的型態出現則是來自於溶菌酶的分布因素。
 
選擇利用生物分子辨識的策略來進行專一性的標定主要是可以解決一些傳統指紋顯現方法所遭遇到問題。例如使用粉末法時,若是背景太過於複雜,粉末除了會吸附在指紋上之外,也同時會吸附在雜質上,這樣會使得指紋紋路受到干擾而無法辨識;若是利用碘燻法,也會有類似的狀況發生,背景的干擾會是一個影響甚鉅的因素。此時利用具有專一性的生物分子辨識就可以改善上述問題,較不會受到當背景是為複雜汙染或成分存在的影響。
 
當然,若背景上的雜質或本身,若有顏色接近於金奈米粒子所呈現的顏色,那利用金奈米粒子這個策略也將會面臨背景干擾的問題,因此在部分研究上會利用其他奈米粒子取代金奈米粒子,但這樣的改善方法並不是最好的解決方式,背景干擾的問題還是有機會發生。

在最新的研究中指出利用上轉換奈米粒子(Up-conversion nanoparticles)來取代金奈米粒子是可以大幅改善背景干擾問題,因為上轉換奈米粒子其特殊的光學特性(吸收長波長(980 nm)的激發光,放射短波長(例如:650 nm)的放射光),使得背景幾乎無法產生干擾,因為大部分的物質對980 nm不會有吸收,因此不會有放射光產生,此時僅有上轉換奈米粒子會放出可見光螢光,在螢光顯微鏡的觀察下,就可以看到具有紅色線條(來自於650 nm)的指紋紋路,這確實可以解決背景干擾的問題,但用上轉換奈米粒子的缺點是需要昂貴的儀器來觀察指紋,不像一般的指紋顯現方法僅需要肉眼且也不需要昂貴的儀器。

近年來所發展用於潛伏指紋顯現的奈米技術各有優點。在發展的過程中,也有許多研究利用相同的策略衍生出藥物檢測方面的應用,不同於現有的禁藥藥物檢測方法,而是透過指紋來檢測一些毒品藥物。
 
有文獻指出毒品藥物的代謝物確實可以從汗液中排出,在許多研究中也已被證實。因此要從指紋中檢測藥物的代謝物時,通常是把原本使用的抗體改為可以專一性辨識藥物代謝物的化學分子、生物分子、抗體或適體,然後以相同操作過程進行檢測。從研究結果來看,具有一定的可信度。從指紋檢測這種毒品藥物的策略主要提供了快速、操作方便、無須昂貴儀器、在短時間內即可得到檢測結果的優勢,相較於現有的冗長檢測時間(例如:透過頭髮、尿液、血液等)可以提供快速檢測的結果。

利用奈米技術來顯現潛伏指紋及從指紋檢測毒品藥物的研究在近幾年來受到一定的矚目,透過奈米技術來顯現指紋可以改善傳統或現有指紋顯現方法的背景干擾問題以及專一性問題,在後續的指紋檢索上可以提供很大的幫助。未來如進一步建立標準的操作步驟及實際之驗證,則奈米技術在潛伏指紋在犯罪科學的應用將深具潛力。
 
備註
感謝科技部補助「新媒體科普傳播:健康醫藥新媒體科普傳播實作計畫III, MOST 104-2515-S-214-001」。
 
責任編輯:黃耿祥
審校:楊智惠

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