通过膜乳化法简便制备多刺激响应型螺环吡喃基微球，用于高分辨率潜在指纹显影

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Facile fabrication of multi-stimuli-responsive spiropyran-based microspheres via membrane emulsification for high-resolution latent fingerprint visualization

　　•膜乳化法可制备出均匀且具有多重响应特性的PMMA-SP微球。•这些微球具备可逆的光致变色与荧光切换功能。•能够清晰呈现潜指纹的高分辨率三级细节。•该材料可用于实现双重模式的防伪功能以及逻辑门构建。

1. 引言
指纹识别是法医学和公共安全领域中不可或缺的身份认证技术，而潜指纹的提取与识别直接关系到案件调查和证据的有效性[1]、[2]、[3]、[4]。由于潜指纹不可见、易受环境因素影响且残留物成分复杂，如何以高对比度、高分辨率的方式将其可视化，一直是该领域面临的重大挑战[5]、[6]。传统的潜指纹显影技术，如碘熏法、硝酸银法、 ninhydrin溶液法以及氰基丙烯酸酯熏蒸法，往往存在操作流程复杂、需使用有毒试剂、背景干扰严重以及对复杂表面适应性差等缺陷[7]、[8]、[9]、[10]。由于操作简单、成本低廉且能快速在现场使用，粉末喷撒法至今仍被广泛用于潜指纹显影[11]、[12]。该方法几乎不需要特殊设备或专业培训，能够在常见的非多孔表面上快速显影，且主要依靠物理吸附而非化学改变指纹残留物，从而为后续的法医分析保留了可能性[13]、[14]。然而，诸如金属粉和磁性粉之类的传统粉末，往往对比度不足，在带有图案或由多种材料构成的基底上会出现严重的背景干扰，对于陈旧指纹的显影效果也很差，尤其难以清晰呈现三级细节[15]、[16]。因此，开发出既能实现高对比度可视化，又能进行高分辨率特征提取的先进材料，对于提升现有的指纹法医技术而言极为迫切。

近年来，各种荧光纳米材料，如量子点、碳点、稀土掺杂纳米粒子以及聚合物基微球，已被广泛用于潜指纹的可视化处理[17]、[18]、[19]、[20]。与传统非发光粉末相比，这类材料因其发射光强可随激发条件调节，因而具备更高的对比度和更好的空间分辨率。为了进一步提升成像性能，荧光粉末的设计必须注重若干关键材料特性，包括在365纳米紫外线等法医常用光源下仍能保持强劲且稳定的发光强度，对指纹残留物具有优于背景基底的优异粘附选择性，以及具有均匀的颗粒形态，这样才能精准再现微观的指纹脊线细节[8]、[21]、[22]。与此同时，在信息安全领域，人们对动态防伪材料的需求日益增加，这类材料的光学信号，如颜色和荧光，能够通过光线和化学蒸汽等外部刺激实现可逆切换，从而为高级加密和身份认证提供可能[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。因此，若能有一种单一材料平台，既能发挥用于法医成像的静态高亮度荧光特性，又能具备响应外部刺激的动态光学功能，用于防伪用途，那将极具价值，能为不同的安全应用提供多功能解决方案。

螺环吡喃是一种著名的光致变色分子，有望用于构建这样的双功能平台。在紫外线照射下，它会转化为美蓝形式，发出强烈的红色荧光，因此是非常理想的指纹检测荧光剂[29]、[30]。同时，螺环吡喃还具有内在的多刺激响应特性。其开环/闭环异构化反应可被紫外线/可见光以及酸碱蒸汽可逆控制[31]、[32]。这意味着同一个螺环吡喃单元既可以在固定条件下作为明亮的静态发光体，又可以在受控环境中充当动态的光学开关。要将这些分子特性转化为实用的固态材料，就需要将螺环吡喃均匀地嵌入到具有可控形态的载体基质中[33]、[34]。聚甲基丙烯酸甲酯微球因其光学透明性和良好的加工性，是理想的载体材料[33]。封装方法至关重要，它不仅要保持螺环吡喃的光学活性，还要确保生成的颗粒尺寸均匀、表面光滑且分散性好，而这些因素直接影响其在粉末喷撒法和油墨配方中的使用性能。不过，以往基于螺环吡喃的材料系统通常只在单一材料中利用了一两种刺激响应机制，由此制成的材料大多只能用于荧光检测、光学数据存储或静态防伪等单一应用领域，无法同时满足高分辨率法医成像的严格要求。此外，基于螺环吡喃的粉末颗粒形态往往难以控制，这会影响指纹显影时的粘附均匀性以及脊线细节的呈现效果。为弥补这些缺陷，本研究采用膜乳化-溶剂蒸发法制备出单分散的PMMA-SP微球，这类微球在一个颗粒平台上同时具备光致变色、酸碱蒸汽响应以及机械荧光响应特性。这种双功能材料既可以作为高分辨率荧光粉末，用于呈现潜指纹甚至三级细节，也可作为可重写的、能响应多种刺激的安全油墨，用于高级防伪应用。

在颗粒制备方法中，膜乳化-溶剂蒸发法因能够制备出高度单分散、表面光滑、尺寸分布窄且批次间重复性优异的微球而备受关注[35]、[36]、[37]。该法利用孔径均匀的微孔膜作为精确控制的分散界面。具体过程中，含有功能分子的聚合物溶液等分散相会在控制好的压力下，被缓慢压过膜孔，进入水溶性表面活性剂溶液等连续相中。在界面张力和流动的连续相所带来的流体剪切力的共同作用下，每个膜孔出口处都会形成独立的液滴，当液滴达到一定大小时就会脱离母相，而液滴的大小主要取决于界面张力和流体剪切力。这种温和的、受剪切力控制的形成机制，能够产生尺寸极为均匀的细小乳液液滴，其大小与膜孔直径密切相关。之后，可通过持续搅拌并在常温或较高温度下蒸发，去除乳液中的溶剂。由于液滴大小主要由膜的结构和工艺参数决定，而非那些难以控制的动态能量输入，因此这种方法具备良好的可扩展性和重复性，非常适合将螺环吡喃这类功能分子封装到聚合物基质中，同时不会影响其光学活性。

在本研究中，我们报道了一种通过膜乳化-溶剂蒸发法制备的复合材料体系，其中光致变色分子N-羟乙基-3,3-二甲基-6-硝基吲哚螺环吡喃被均匀地掺入PMMA中，从而制得了PMMA-SP微球。这些微球具有形状规则的球形结构、表面光滑，并且在紫外线与可见光交替照射下会表现出可逆的光响应荧光。此外，它们在接触酸碱蒸汽时也会出现灵敏且可逆的荧光切换现象，同时在研磨作用下还会展现出机械荧光响应特性。借助这些多刺激响应功能，我们证明了这类微球在玻璃、不锈钢、铝箔和塑料等各种非多孔表面上的潜指纹显影方面表现优异，能够在紫外线激发下实现高对比度、出色的脊线选择性以及三级细节的清晰呈现。除了用于指纹显影之外，这些微球还被制成可书写的防伪油墨，该油墨能在纸张上产生可逆的光致和蒸汽诱导的颜色/荧光变化，且具有优异的长期稳定性。此外，我们还利用紫外线和氯化氢蒸汽这两种独立刺激源，基于微球的荧光输出构建出了分子级逻辑门，进一步展示了这类材料在高级信息加密和智能防伪系统中的应用潜力。本研究所得到的多功能材料，将高分辨率法医检测技术与动态、多刺激响应的安全技术相结合，为下一代安全识别应用提供了新的解决方案。

2. 实验

2.1 材料
所有化学试剂均直接使用，无需进一步纯化。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，分子量=120,000）由Sigma-Aldrich公司提供。光致变色化合物N-羟乙基-3,3-二甲基-6-硝基吲哚螺环吡喃则从重庆康禾悦诚制药有限公司购得。二氯甲烷和十二烷基硫酸钠则由天津新森生物科技有限公司提供。用于膜乳化的亲水性尼龙膜（直径为50毫米，孔径为800纳米）由金腾公司提供。所有实验均使用去离子水。

2.2 通过膜乳化法制备PMMA-SP微球
如方案1所示，PMMA-SP微球是通过膜乳化-溶剂蒸发法制备的。首先，将0.8克PMMA和32毫克SPOH溶解在20毫升二氯甲烷中，得到油相，其中SPOH的质量占PMMA质量的4%。将此混合液在500转/分钟的转速下磁力搅拌2小时，直至完全溶解。另外，将2.0克十二烷基硫酸钠溶解在200毫升去离子水中，在温和搅拌下反应1小时，得到浓度为1%重量比的表面活性剂溶液，即水相。接着，将两相在轻微真空环境下脱气15分钟，以减少空气混入。

如图1(a)所示，为通过膜乳化-溶剂蒸发法制备PMMA-SP微球的流程；图1(b)则为通过粉末喷撒法检测潜指纹的示意图。乳化过程是在一个配有孔径为800纳米的尼龙膜的专用膜模块中进行的。油相被放入加压容器中，在0.2兆帕的氮气压力作用下，以400转/分钟的转速被压过膜层，进入持续搅拌的水相中。在膜表面会均匀形成液滴，这些液滴在流体剪切力和水相搅拌的共同作用下脱离母相，从而形成尺寸分布狭窄的细小油包水型乳液。之后，该乳液在25摄氏度的环境下持续搅拌24小时，以便二氯甲烷逐渐扩散并完全蒸发。溶剂去除后，通过以10000转/分钟的转速离心5分钟，即可收集到固化的PMMA-SP微球，随后再用去离子水清洗三遍，确保彻底去除残留的表面活性剂。最后，将这些纯化的微球在50摄氏度的真空烘箱中干燥24小时。

2.3 使用PMMA-SP微球进行潜指纹显影
潜指纹的采集是按照标准化流程从一名男性志愿者身上进行的，流程如图1所示。首先，志愿者洗净双手并擦干，然后戴上一次性手套约10分钟，以促进自然汗液的分泌。随后，用指尖轻轻摩擦额头，使皮脂残留物更加丰富，最后以适当的力度将指尖按在不锈钢板、玻璃板、塑料瓶和铝箔等各种基底上。采集到的指纹在室温下放置1小时后再进行显影处理。显影时，用软刷沿着指纹脊线的走向轻轻涂抹合成的PMMA-SP复合微球粉末，之后再用气枪轻轻吹走多余的粉末。显影后的指纹会在365纳米紫外线照射下，通过智能手机进行详细观察和记录，从而对其形态进行全面分析。

2.4 基于图像分析的指纹量化
利用配备365纳米紫外线光源的智能手机摄像头，拍摄显影后的潜指纹的荧光图像。所有图像均在暗室中、在相同的照明条件下拍摄，以确保光照一致。使用ImageJ软件提取指纹脊线和沟槽处的灰度线性扫描曲线。垂直于指纹脊线方向绘制一条8位灰度强度的直线，然后利用“绘图曲线”功能获取该直线上的强度值。通过每幅图像中内置的标尺，可确定像素与微米之间的换算关系。对于每位志愿者，信号与背景比SBR的计算方法是：取指纹脊线峰值强度与沿扫描曲线选取的十个最低谷背景强度的平均值之比。米歇尔森对比度则通过公式(Iridge - Ifurrow) / (Iridge + Ifurrow)计算。指纹脊线宽度则为相邻两个沟槽最小值之间距离的两倍。图4(b)中标记出的放大区域，可使用ImageJ软件中的费雷特直径工具来测量孔径大小。统计分析采用单样本t检验，比较所有志愿者使用的PMMA-SP微球的平均SBR值与市售粉末的SBR值，显著性水平设定为α=0.05。

2.5 制备PMMA-SP防伪油墨
根据以下步骤，制备了基于PMMA-SP微球的响应型防伪油墨。首先，将10毫升乙醇、32毫升去离子水和18毫升甘油在强力磁力搅拌下混合30分钟，从而得到一种粘度适宜的均匀溶剂混合物。随后，将0.5克刚制备好的PMMA-SP微球逐渐加入该溶液中，并在超声作用下使其分散均匀。得到的悬浮液在室温下继续搅拌2小时，以确保完全混合均匀，最终得到一种稳定且分散性良好的PMMA-SP防伪油墨，可直接用于书写、印刷或涂层等应用。

2.6 性能表征
使用场发射扫描电子显微镜（Hitachi S-3400 N）对PMMA-SP微球的形态特征进行了观察。在成像之前，先在粉末样品表面溅射一层薄薄的金膜，以提高其导电性，图像是在5千伏的加速电压下获得的。其光致发光特性则通过荧光分光光度计（JASCO FP-750荧光光谱仪）进行检测。固体样品被放置在石英夹具中，在365纳米的激发光下记录发射光谱，激发狭缝和发射狭缝的宽度均设定为5纳米。3. 结果与讨论3.1. PMMA-SP微球的结构与光学特性通过膜乳化-溶剂蒸发法制备的PMMA-SP微球的形态学特征通过扫描电子显微镜进行了分析。如图1(a)所示，这些微球呈现单分散状态，没有明显的聚集现象，这说明洗涤和干燥步骤有效地去除了残留的表面活性剂。此外，在更高倍率下观察，这些微球表面较为光滑，呈规则的球形，没有明显的粘连或破碎现象，这表明溶剂蒸发过程平稳，聚合物固化均匀。通过ImageJ软件对SEM图像中的200个微球进行尺寸分析，其粒径分布如图1(c)所示。平均直径为1.01微米，变异系数为8.6%，这一结果证实了膜乳化工艺能够实现窄范围、近乎单分散的粒径分布。这些形态学特征表明，所采用的膜乳化-溶剂蒸发工艺成功制备出了结构完整、表面洁净且粒径分布狭窄的PMMA-SP复合微球，为其在后续功能应用中保持稳定的物理和光学性能奠定了基础。下载：下载高分辨率图像（635KB）下载：下载全尺寸图像图1. (a) 所制备PMMA-SP微球的扫描电子显微镜图像；(b) PMMA-SP微球的放大扫描电子显微镜图像；(c) PMMA-SP微球的粒径分布。为了进一步确认SP已成功掺入PMMA基体中，还进行了傅里叶变换红外光谱、紫外-可见吸收光谱以及热分析。如图S1所示，PMMA-SP微球的傅里叶变换红外光谱在1336厘米^-1和1610厘米^-1处出现了两个新的吸收峰，分别对应于SPOH的对称NO2伸缩振动和芳香族CC伸缩振动。这些SP特有的吸收峰在纯PMMA的光谱中完全不存在，从而证明了SPOH在PMMA基体中被物理包封，没有形成会破坏其光致变色功能的共价键。如图S2所示，紫外-可见吸收光谱在紫外区域显示出强吸收，这是闭环SP结构的特征。在365纳米紫外光照射下，可见光区域出现一个新的吸收峰，对应于开环MC结构。这种光诱导的光谱变化在可见光照射下可完全逆转，这表明在包封过程中SPOH单元并未发生化学变化，且在PMMA基体中仍保持完整的光致变色活性。如图S3所示，对比游离SPOH和PMMA-SP微球的热重分析结果，发现复合材料的分解起始温度约为287摄氏度，而游离SPOH的分解起始温度约为140摄氏度，这表明将SPOH包封在PMMA基体中显著提高了其热稳定性。这种增强的热稳定性在法医学领域尤为重要，因为287摄氏度的分解起始温度远远高于粉末储存、运输、现场提取以及长期保存证据时可能遇到的温度，从而确保了在整个法医操作流程中荧光性能的稳定性。图2展示了含有4重量% SP的PMMA-SP微球在交替紫外光和可见光照射下的可逆光响应荧光行为。如图2(a)所示，在365纳米紫外光照射下，从0秒到60秒，PMMA-SP微球的荧光强度在550至750纳米范围内逐渐增强。这表明荧光增强是由于紫外光诱导了螺吡喃单元的开环反应。随后，如图2(b)所示，在LED光照射下，从0秒到300秒，荧光强度逐渐减弱，这与闭环螺吡喃结构的重新形成相一致。图2(c)中的数码照片直观地展示了这些光谱变化：最初为浅粉色的粉末在紫外光照射下逐渐变为红色，而在LED光照射下则逐渐恢复到原来的颜色。如图S4所示，经过365纳米紫外光照射60秒后，PMMA-SP粉末的颜色由浅粉色变为紫色。图S5展示了不同循环条件下PMMA-SP粉末在620纳米处的荧光强度。可以看出，荧光强度没有显著变化。这些结果凸显了PMMA-SP微球的可逆荧光切换特性，该特性可通过交替的紫外光/可见光照射来控制，因此它们在需要可调对比度和背景抑制的指纹检测应用中具有广阔的应用前景。下载：下载高分辨率图像（405KB）下载：下载全尺寸图像图2. 含有4重量% SP的PMMA-SP微球的荧光光谱：(a) 从0秒到60秒在365纳米紫外光照射下的光谱；(b) 随后从0秒到300秒在可见光照射下的光谱；(c) 对应的PMMA-SP粉末在0秒到60秒紫外光照射下以及0秒到300秒可见光照射后的照片。图3展示了PMMA-SP微球对酸性和碱性气体的荧光响应。如图3(a)所示，这些微球在365纳米紫外光激发下在空气中会发出强烈的荧光。当暴露于盐酸蒸汽时，荧光强度显著下降，这表明酸性环境导致了荧光的有效猝灭。而在随后暴露于氨气蒸汽后，荧光又大部分恢复，这表明它们对酸性和碱性气体的交替引入具有可逆响应。如图3(b)所示，通过多次循环监测620纳米处的发射强度，进一步量化了这种可逆切换行为。经过15次循环后，荧光强度没有显著变化，这表明PMMA-SP微球具有优异的酸碱可逆性。如图3(c)所示，PMMA-SP粉末在自然光下暴露于盐酸蒸汽后会变成黄色，而在氨气蒸汽处理后又恢复到原来的浅粉色。这种可重复且稳定的光学切换特性凸显了这些微球作为可逆荧光开关、分子逻辑门以及防伪平台的潜力。下载：下载高分辨率图像（413KB）下载：下载全尺寸图像图3. (a) PMMA-SP微球在365纳米紫外光下的荧光发射光谱：(1) 在空气中的光谱；(2) 暴露于盐酸蒸汽后的光谱；(3) 暴露于氨气蒸汽后的光谱；(b) PMMA-SP微球在交替暴露于盐酸蒸汽和氨气蒸汽过程中620纳米处荧光强度的可逆变化；(c) PMMA-SP粉末在自然光及365纳米紫外光下分别暴露于盐酸蒸汽和氨气蒸汽后的照片。如图S6所示，未处理的PMMA-SP粉末表现出明显的双机械变色和机械荧光变色行为。从机制上讲，施加机械力如研磨会在PMMA基体上产生局部应力，打破包括氢键和范德华力在内的维持闭环SP结构的非共价相互作用。这种机械扰动降低了环开裂异构化的活化能障碍，促使无色、不发荧光的SP结构转变为有色、高荧光的MC结构，这一过程类似于紫外光诱导的光异构化，但是由机械能而非光子吸收驱动的。因此，未处理的粉末在自然光下呈现明显的紫色，在365纳米紫外光下则会发出明亮的红色荧光。如图S6所示，通过多次研磨-LED照明循环监测620纳米处的荧光强度，可以定量评估这种机械荧光变色响应的可逆性。研磨后荧光强度会急剧上升，而在随后暴露于LED光下，闭环SP结构可恢复98.1%。这种可逆切换在15次循环后依然保持，没有出现显著衰减，从而证明了机械荧光变色行为的稳定性和重复性。这种双重力-光响应特性凸显了该材料在高级防伪应用中的潜力。由于其显著的且可控的光学响应特性，这种材料可用于设计多级安全标签、加密图案或智能安全油墨。在实际应用中，简单的研磨或压印即可触发颜色变化和荧光发射，从而提供一种直观却又难以复制的防伪验证方法。3.2. 潜在指纹的可视化检测如图4所示，所开发的PMMA-SP粉末可用来在玻璃表面可视化潜在指纹，实现了从宏观图案到微观结构的多层次可视化。PMMA-SP粉末会选择性地附着在指纹纹线上，从而在自然光下清晰地显示指纹的整体纹路。当用365纳米紫外光照射1分钟后，同一指纹区域会发出明亮的红色荧光，这不仅显著提升了整体对比度，还突出了二级和三级特征中的丰富细节。在荧光作用下，图像中标记的二级特征，如分叉、桥接、疤痕、纹线末端以及岛状结构，其对比度都得到了极大提升。它们的空间关系清晰可辨，可为指纹比对提供重要依据。下载：下载高分辨率图像（742KB）下载：下载全尺寸图像图4. 用所制备的PMMA-SP粉末在玻璃上显现的供体A的潜在指纹图像：(a) 自然光下的图像；(b) 365纳米紫外光下的图像（其中放大了包括1-核心、2-分叉、3-桥接、4-疤痕、5-纹线末端、6-岛状结构、7-孔隙在内的特定细节）；(c) 潜在指纹选定区域的分辨率分析。在指纹识别科学中，三级细节特征构成了用于个体身份识别的最精细且最本质的层次。这些特征不仅涵盖了被称为一级特征的宏观纹型，还包括被称为二级特征的局部细节点。三级特征主要包括孔隙的位置、形状、分布和排列，以及沿纹线边缘的微观轮廓和起伏。由于它们的形成受到胚胎发育过程中随机微环境因素的影响，三级特征具有极高的个体独特性和稳定性，即使是同卵双胞胎或同一个体的不同手指之间，这些特征也很少重复出现。因此，在处理那些指纹碎片化、模糊或面积极小的复杂案件时，三级特征可以为身份识别提供关键的补充证据，甚至仅凭少数几条纹线就能实现高可信度的识别。本研究中所开发的PMMA-SP微球，凭借其高对比度的荧光响应和出色的空间分辨率，能够清晰地展现三级特征，包括孔隙以及纹线边缘的微观结构，如图4(b)所示。图像中标记的孔隙(7)在荧光模式下清晰可见，其分布、密度和形态等超细微信息都能被保留下来。如图S7所示，对图4(b)中可见的汗液孔隙进行定量测量后，其直径分别为86、123、156、166和225微米。此外，对21条纹线进行的灰度线扫描分析显示，纹线的平均宽度为238±88微米。这些特征具有更高的个体独特性，能为高精度的身份识别提供可靠支持。进一步如图4(c)所示，对选定区域进行灰度分析后发现，纹线信号沿像素距离呈现连续且周期性的波动，这证明该粉末能够清晰地区分纹线与沟槽之间的微观边界，为高精度指纹匹配提供了必要的空间分辨率和信噪比。如图S8所示，PMMA-SP粉末在潜在指纹显现过程中具有独特的颜色变化效应。在初始状态下，该粉末为白色，可像常规方式一样涂覆在指纹表面。在365纳米紫外光照射1分钟后移除光源，粉末的颜色会转变为鲜明的紫色，从而使指纹纹线在自然光下以高对比度显现出来。这些结果表明，PMMA-SP粉末结合了颜色显色与荧光增强两种功能，能够实现从快速定位到详细识别的多模式、高灵敏度的潜在指纹检测。如图4c所示，对荧光图像进行定量灰度线扫描分析后，得到平均信噪比为8.1，迈克尔逊对比度为0.781，这表明该粉末具有近乎理想的纹线选择性，背景干扰可忽略不计。作为对比，如图S9所示，在相同条件下测试的一种市售荧光指纹粉末，其信噪比仅为2.6，存在严重的非特异性背景吸附现象，对应的对比度为0.45。PMMA-SP微球具有更高的信噪比，这得益于其均匀的表面化学性质和颗粒形态，这使得它们能够优先附着在指纹残留物上，而非裸露的基底表面。这些定量比较结果总结在表S1中。为了进一步评估重复性，对另外三个供体的指纹进行了相同的定量分析，得到的信噪值分别为7.7、6.2和4.8，四者的平均值為6.7±1.5，如图表S1和图S10所示，这证明了该粉末在不同个体身上也能表现出一致的纹线选择性吸附作用。单样本t检验表明，PMMA-SP微球的平均SBR值显著高于市售粉末（t = 5.47，df = 3，p = 0.012），其平均值的95%置信区间为[4.3, 9.1]。如图5所示，所制备的PMMA-SP粉末能够在各种常见的非多孔表面留下潜在指纹，包括铝箔、玻璃烧杯、不锈钢勺和塑料瓶。在自然光下，该粉末会选择性地附着在指纹残留物上，在铝箔、玻璃、不锈钢和塑料表面上形成清晰的纹路图案（a-d）。从图像中可以看出，一级特征得到了完整保留，纹路连续且边缘清晰，显示出出色的吸附性能。所有形成的指纹在经过365纳米紫外线照射1分钟后都会发出明亮的红色荧光，而背景信号则被显著抑制，如图e-h所示。此外，三级特征如孔隙也能清晰观察到。这些结果表明，PMMA-SP粉末具有良好的表面适应性，能够在复杂的现实场景中实现高对比度、高分辨率的潜在指纹可视化，因此适用于对各类证据载体的快速现场法医鉴定。

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图5. PMMA-SP粉末在自然光和365纳米紫外线作用下在不同表面上形成的指纹：(a)和(e)铝箔；(b)和(f)玻璃烧杯；(c)和(g)不锈钢勺；(d)和(h)塑料瓶。

如图6所示，PMMA-SP粉末能够有效显现铝箔上重叠的潜在指纹。在自然光下（a），粉末呈现白色，可初步观察到复合纹路图案。经过1分钟紫外线照射并移除光源后（b），粉末颜色变深，从而增强了重叠区域内不同指纹层之间纹路的视觉对比度。在365纳米紫外线的实时照射下（c），指纹会发出强烈的红色荧光，显著抑制了背景干扰。肉眼可以清晰观察到二级和三级特征，表明PMMA-SP粉末可用于检测重叠指纹。

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图6. PMMA-SP粉末在铝箔上形成的重叠指纹：(a)自然光下；(b)经过365纳米紫外线照射1分钟后；(c)在365纳米紫外线下。

在实际应用中，潜在指纹往往无法立即被检测出来。对于潜在指纹检测试剂而言，高灵敏度地检测陈旧的潜在指纹具有重要意义。因此，研究人员使用PMMA-SP粉末检测了在自然条件下陈化30天的潜在指纹。如图S11所示，PMMA-SP粉末仍具备有效检测自然陈化30天后的潜在指纹的能力。在自然光下（a），粉末会在陈化的指纹残留物上形成清晰的纹路图案。尽管由于残留物的挥发或降解，某些区域的纹路连续性有所下降，但指纹的整体走向以及一级和二级特征依然保持良好，且没有明显的背景干扰。在365纳米紫外线照射下（b），陈化的指纹会发出清晰的红色荧光。虽然其强度低于新鲜指纹，但仍能有效抑制复杂的背景信号，显著增强纹路边缘和孔隙等微观特征的对比度。这些结果表明，PMMA-SP粉末不仅适用于快速检测新鲜指纹，还能为长期陈化的潜在指纹提供可靠的成像效果，从而提升了其在时间序列法医证据鉴定中的实用价值。

3.3 PMMA-SP油墨在防伪领域的应用

利用PMMA-SP微球的光致变色和pH响应特性，研究人员配制了一种功能性安全油墨，并通过书写“HNNU”四个字母将其涂覆在纸上。如图7所示，该书写图案在365纳米紫外线作用下会发出强烈的红色荧光，体现了有效的紫外线诱导发光效应。此外，移除紫外线后，肉眼仍能看到“HNNU”四个字母。当暴露于盐酸蒸汽中时，荧光会大幅减弱，字母颜色变为黄色，这表明开环状花青素在质子作用驱动下转化为了无荧光、耐酸的状态。值得注意的是，经过氨气处理后，荧光和原始颜色都能完全恢复，因为氨气会使体系去质子化，恢复发光的花青素状态。这种在酸性及碱性环境之间可逆的荧光与颜色切换特性，凸显了PMMA-SP油墨出色的环境响应能力。这种“书写-检测-切换-恢复”的功能为防伪提供了简单却极为安全的方案：隐藏信息可以先通过视觉或光谱方式显现，再经过化学处理进行修改，最后重新配置，使得该系统非常适合用于高级文档保护和动态信息加密。

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图7. 用PMMA-SP油墨在纸上书写的“HNNU”图案，展示了其光致变色性能和pH响应的可逆性。

如图S12所示，研究人员通过在典型的实验室环境条件——25 ± 2摄氏度、45–60%相对湿度，以及室内荧光灯与间接自然光共同作用的环境下，将书写的“HNNU”图案存放3个月，以此评估PMMA-SP安全油墨的长期稳定性。经过这段时间后，这些字母在日光下依然清晰可辨，没有出现明显的褪色、开裂或从纸张基底上脱落的现象，这说明油墨基体具有优异的物理附着性和环境耐久性。在365纳米紫外线照射下，图案依然会发出明显的红色荧光，这表明嵌入PMMA微球中的光致变色SPOH单元即便长时间暴露在空气中的氧气、湿气以及变化的室内光线作用下，仍保持其光响应能力。这种出色的稳定性，再加上此前已验证的pH值和光照条件下的可逆切换特性，使得PMMA-SP油墨成为那些需要长期保存且功能完整性至关重要的实际防伪应用中的理想选择。

3.4 基于PMMA-SP微球发光特性转换的逻辑电路

基于PMMA-SP微球构建的分子逻辑门系统如图8所示。在该系统中，365纳米紫外线（输入1）和盐酸蒸汽（输入2）作为两种外部刺激，而PMMA-SP微球在620纳米处的归一化荧光强度则作为光学输出信号。如图8(a)所示，只有当“紫外线开启（1），盐酸蒸汽关闭（0）”时，才会获得较高的荧光输出，而在其他三种输入组合下，荧光强度则保持在较低水平。这种输入与输出的关系严格遵循布尔逻辑，对应于典型的抑制门功能。这种逻辑行为的实现源于PMMA-SP微球自身的光致发光和酸碱响应特性：紫外线照射会打开螺吡喃单元的荧光发射通道，而盐酸蒸汽则可通过质子作用可逆地抑制荧光。这两种刺激在时机和逻辑上的协同作用，使得该系统能够执行可编程的逻辑判断。图8(c)中的逻辑真值表进一步证实了不同输入条件下输出状态的明显差异。值得注意的是，(1,0)状态（紫外线开启，盐酸蒸汽关闭）时的归一化强度为100%，而其余三种状态的强度均低于最大值的10%。基于这一大于10:1的开关比，我们将归一化荧光强度大于或等于最大值的50%定义为“高”输出，小于50%定义为“低”输出。按照这一标准，只有(1,0)组合会产生高输出，这与抑制门逻辑功能完全一致。这项工作成功地将PMMA-SP微球的多刺激响应特性转化为可重构的逻辑计算能力，为开发基于智能材料的分子计算、高级防伪及信息加密平台提供了新的设计思路和实验基础。

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图8. (a) 当逻辑门以365纳米紫外线（输入1）和盐酸蒸汽（输入2）作为两种刺激时的620纳米处归一化荧光强度；(b) 基于PMMA-SP微球的逻辑门的示意图及真值表；(c) 对应的真值表。

4. 结论

在本研究中，研究人员通过膜乳化-溶剂蒸发策略成功制备出了单分散的PMMA-SP复合微球。该方法能够精确控制微球的形态，所得微球表面光滑、尺寸分布均匀，且批次间重复性好，这些特性对于实际应用中的稳定性能至关重要。所制备的材料具有多种独特的多刺激响应光学特性，包括在紫外线/可见光交替照射下的可逆光致变色行为和荧光切换、对酸碱蒸汽的敏感且可逆的荧光响应，以及研磨时特有的机械荧光变色现象。当作为用于激光荧光打印的新型荧光粉时，PMMA-SP微球表现出极高的纹路附着特异性、在365纳米紫外线下的强发光性能，以及有效的背景干扰抑制能力。它们能够在各种非多孔表面上实现高对比度的指纹可视化，即便是对陈旧或重叠的指纹也是如此。除了用于法医指纹识别外，这些微球还被进一步加工成一种稳定的、可在纸上书写的防伪油墨，且具有优异的长期稳定性。此外，通过将紫外线和盐酸蒸汽作为两种独立的输入信号，研究人员还基于微球的荧光输出构建出了逻辑门，这体现了它们在信息加密以及智能多层防伪系统中的巨大应用潜力。

作者贡献声明
李泉：撰写——初稿、资源、方法、研究。郝大宇：研究、数据整理。王静：指导、研究。李乐：撰写——审阅与编辑、指导。
李泉|郝大宇|王静|李乐