微波辅助合成掺硼和氮的碳点，并将其固定在SiO?纳米颗粒上，用于高分辨率潜在指纹检测

《Optical Materials》：Microwave-Assisted Synthesis of Boron and Nitrogen Co-Doped Carbon Dots Immobilized on SiO 2 Nanoparticles for High-Resolution Latent Fingerprint Detection

碳点合成与潜指纹显影技术：本研究通过微波辅助法以乳酸为碳源，硼酸和尿素为掺杂剂制备了B,N共掺杂碳点（B,N-CDs），并固定于气凝胶二氧化硅上形成荧光显影粉末。实验表明，该粉末在365nm紫外线下呈现均匀蓝色荧光（中心波长430nm），FT-IR和XPS证实成功掺杂及sp2碳结构特征，SEM和EDS显示B,N-CDs有效负载于SiO?表面。应用于玻璃基底自然潜指纹检测，AFIT评分达52（良好等级），实现50-52个细节点的高分辨率显影。方法具有5分钟快速合成、环保及稳定显影等优势，为非多孔材料潜指纹可视化提供新方案。

　　

Sutinee Girdthep|Soontorn Suvokhiaw|Siirat Choosakoonkriang|Gulanat Chanachinrat|Cheewita Suwanchawalit

泰国那空巴通市西帕科恩大学理学院化学系，邮编73000

摘要

我们报道了一种利用硼酸和尿素作为掺杂剂，通过微波辅助方法从乳酸快速制备硼氮共掺杂碳点（B,N-CDs）的工艺，并将其固定在气相二氧化硅（fumed SiO₂）上，从而获得用于潜指纹检测的荧光显影粉末。B,N-CDs在深紫外区域具有明显的吸收峰，同时在约280–300 nm处有一个肩峰，并在约430 nm处有一个蓝光发光带（λ_ex = 310 nm）。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）显示了O–H/N–H、C=O/C=N和C–N振动以及B–O特征，而X射线衍射（XRD）则显示出宽的（002）晶面，表明其具有较小的sp²晶域。高分辨率X射线光电子能谱（XPS）揭示了sp² C–C/C=O表面基团、吡咯/石墨氮结构以及B–O键的存在，证实了硼氮共掺杂的成功。固定后，扫描电子显微镜（SEM）观察到气相二氧化硅的原始链状形态得以保留，能量分散X射线光谱（EDS）检测到C、N以及Si和O元素，证实了B,N-CDs在表面的覆盖。这种复合粉末在日光下呈米白色，但在365 nm光照下显示出强烈的均匀蓝光发射。将其应用于玻璃上的自然潜指纹时，能够在白光和紫外光下清晰地显示指纹的纹路和细节；自动指纹识别技术（AFIT）分析显示每个指纹有50-52个可识别特征，评分“良好”。这种环保的五分钟合成方法结合二氧化硅固定技术，制备出了稳定、明亮且易于处理的粉末，展示了其在非多孔基底上进行高分辨率潜指纹可视化的实际潜力。

引言

潜指纹（LFP）检测因其独特的纹路特征而成为最可靠和广泛使用的法医鉴定方法之一，这些特征会伴随个体一生[1]、[2]、[3]。然而，传统的LFP可视化技术（如粉末喷涂、 ninhydrin染色和氰基丙烯酸酯气相处理）通常存在灵敏度低、在复杂或多色基底上对比度差以及使用有毒试剂带来的潜在风险[4]、[5]、[6]、[7]。近年来，具有内在荧光的纳米材料成为高分辨率、无损指纹成像的有希望的候选材料。其中，碳点（CDs）因其出色的光稳定性、可调的光致发光特性、低细胞毒性以及从丰富前体轻松合成而受到关注[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。

异原子掺杂（如氮、硼、硫、磷）已被证明可以进一步提高量子产率、修改表面功能并调节CDs的发光行为，从而改善其与指纹残留物的相互作用[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。然而，以粉末形式直接应用CDs往往会导致颗粒聚集、在指纹成分上的粘附力减弱以及荧光效率降低。为了解决这些问题，将CDs固定在二氧化硅（SiO₂）等固体载体上是一种有前景的策略。SiO₂具有较高的比表面积、优异的化学和机械稳定性，以及表面硅醇基团，有助于功能性纳米材料的牢固锚定[18]、[19]、[20]。除了在光催化和传感系统中的广泛应用外，SiO₂在潜指纹检测中也显示出有效性，其分散性和表面化学性质促进了颗粒的均匀粘附和纹路的清晰显示，尤其是在与荧光纳米材料结合使用时[21]。尽管有这些优点，关于用于法医应用的B,N共掺杂CDs在SiO₂上的研究仍然较少，其实际性能在潜指纹（LFP）检测中的效果也尚未得到系统评估。

在这项工作中，我们报道了使用乳酸作为碳源，硼酸和尿素作为掺杂剂，通过微波辅助方法简便地合成B,N掺杂碳点（B,N-CDs），随后将其固定在SiO₂纳米颗粒上。合成的B,N-CDs及其与SiO₂的复合材料通过紫外-可见光谱（UV–vis）、光致发光（PL）光谱、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT–IR）和X射线光电子能谱（XPS）进行了全面表征，同时通过扫描电子显微镜（SEM）和能量分散X射线光谱（EDS）进一步研究了复合材料的形态和元素分布。该粉末在紫外光激发下表现出强烈的荧光，能够在玻璃载玻片上清晰显示指纹纹路细节，在自动指纹识别技术（AFIT）评估中达到了52分的纹路质量评分——根据法医标准属于“良好”等级。

本研究的新颖之处在于：（i）使用乳酸作为可持续且低成本的碳前体，通过微波辅助方法合成B,N共掺杂CDs；（ii）采用固定在SiO₂纳米颗粒上的策略，同时增强了荧光强度、稳定性和与指纹残留物的粘附性；（iii）通过AFIT评分系统评估了LFP检测性能，提供了法医应用的定量验证。这种综合方法不仅推动了高分辨率指纹成像的材料设计，还为下一代法医可视化试剂提供了一种可扩展、环保的制备途径。

部分内容摘要

B,N共掺杂碳点（B,N-CDs）的合成

硼氮共掺杂碳点（B,N-CDs）是通过微波辅助方法合成的。具体步骤如下：在室温下，将40 mL浓度为0.0002 M的乳酸（C₉₁H₆₂N₂O₄₄，≥98%，Sigma–Aldrich）溶液与10 mL浓度为1 M的硼酸（H₃BO₃，≥99.5%，Merck）、5 mL浓度为1 M的尿素（NH₂CONH₂，≥99%，Sigma–Aldrich）以及0.5 mL浓度为30%的过氧化氢（H₂O₂，分析级，Merck）混合，并在磁力搅拌下进行反应。

合成的B,N-CDs的微观结构

使用紫外-可见光谱（UV–vis）在200–500 nm范围内研究了合成的B,N-CDs的光学吸收特性，如图1所示。合成的B,N-CDs在深紫外区域具有明显的吸收峰，最大吸收波长低于220 nm，随后在约280–300 nm处有一个肩峰（图1）。前者归因于sp²碳晶域的π→π*跃迁，后者则源于共轭C=C/C=O基团的π→π*跃迁。

结论

我们开发了一种利用硼酸和尿素从乳酸快速制备硼氮共掺杂碳点（B,N-CDs）的微波辅助方法，并将其固定在SiO₂上，从而获得用于潜指纹检测的荧光显影粉末。光谱分析显示，这些碳点在365 nm激发下在深紫外区域具有吸收峰，同时在约280–300 nm处有一个肩峰，并在约430 nm处有一个蓝光发射带，这与表面态主导的光致发光现象一致。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）揭示了O–H/N–H、C=O/C=N和C–N振动特征。

CRediT作者贡献声明

Sutinee Girdthep：撰写 – 审稿与编辑，撰写原始稿件，验证，形式分析，概念构思。Soontorn Suvokhiaw：撰写原始稿件，验证，形式分析。Siirat Choosakoonkriang：方法学研究。Gulanat Chanachinrat：实验研究。Cheewita Suwanchawalit：撰写 – 审稿与编辑，撰写原始稿件，可视化处理，验证，项目管理，方法学研究，资金申请，形式分析，概念构思

利益冲突声明

无。

声明在写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术

在准备本工作时，作者使用了ChatGPT来提高文章的可读性和语言表达。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

作者感谢泰国那空巴通市西帕科恩大学的理学院提供的财政支持。本研究得到了泰国科学研究与创新（TSRI）国家科学与创新基金（NSRF）（2024财年）以及泰国那空巴通市西帕科恩大学的财政支持（资助编号SRIF-JRG-2568-05）的资助。