一种水溶性纳米纸的制备方法及其在指纹结构采集中的应用
技术领域
本发明属于超细纤维材料制备技术领域，具体涉及一种水溶性纳米纸的制备方法及其在指纹结构采集中的应用。
背景技术
指纹是个体表皮的某些凸起部分形成的，它们由基因以及环境共同作用产生，具有独特的，持久的特性；这些特性使其能够在刑事侦查、权限控制和信息加密等多种实际应用中为个人身份识别服务。通过三级分类法，指纹通常可被分为三个级别，一级结构有：纹线流向、中心花纹和三角区；二级结构有：乳突纹线局部的细小结构，纹线路径断点区域或山脊；三级结构有：汗孔、脊线边缘形态、细点线、伤疤等。
一般来说，当手指接触到基质时，皮肤表面的分泌物就会转移到基质上。大多数的指纹不易被肉眼观察，这些不易被观察到的指纹多为二级以及三级结构。而这些指纹不仅再现了个体脊纹的物理特征，还含有非均匀的化学成分。这些成分主要由天然分泌腺分泌，如外分泌汗腺和皮脂腺。对这些指纹组成的分析可以提供大量信息。目前，采集指纹结构的方法主要包括油墨捺印法、活体采集仪法、扫描仪法、显微镜法以及基于对手指分泌的物质进行显色反应的化学方法。其中，油墨捺印法是通过手指直接蘸取油墨，进一步按压到基底表面，从而获得手指指纹结构的方法，李等人利用计算机软件对10人的油墨捺印指纹样本的局部汗孔位置关系进行了精确测量，对数据结果进行了分析并探讨油墨法提取指纹汗孔特征的稳定性(李航,罗亚平.油墨捺印指纹汗孔特征稳定性的研究[J].刑事技术,2014,(02):37-38.)，虽然油墨捺印法能够客观地反映指纹的汗孔特征，但是这种方法的主要缺点为对于指纹的三级特征反映性不够理想，汗孔、纹线形态特征、细点线特征在不同压力下的稳定性较差，且捺印的压力越大则三级特征变形越大，甚至完全变形成为另外一种特征；活体采集仪法、扫描仪法以及显微镜法则分别通过手指在活体采集仪上三面滚动、将手指放到扫描仪上以及将手指放到显微镜下观察，直接获取指纹的电子图像，公开号为CN209879525U的专利公开了一种具有遮挡机构的指纹采集仪，虽然这类指纹扫描设备可以获得较为精细的指纹结构，但均表现出对仪器的较高要求，使其在日常生活中不易普及；而针对于手指分泌物进行指纹检测的化学方法，多是通过与手指分泌的氨基酸、蛋白质以及脂类物质等具有较强结合能力、含有荧光特性的造影剂以及使用不同的成像技术获得指纹详细结构的方法，Kim等人设计了一种氢变色传感器，即使用氢铬聚合物来绘制指纹的汗孔信息(J.Lee,M.Pyo,S.-h.Lee,J.Kim,M.Ra,W.-Y.Kim,B.J.Park,C.W.Lee,J.-M.Kim,Hydrochromic conjugated polymers for human sweat pore mapping,NatureCommunications,2014,5)，然而这种方法存在加工过程复杂且操作繁琐，对指纹检验仪器具有较高要求等问题。因此，目前还没有一种简单高效的获取指纹全部结构的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水溶性纳米纸的制备方法及其在指纹结构采集中的应用，以解决现有技术中指纹三级结构不易获得、制备路线复杂、普适性差等不足；本发明具有获得指纹全部结构、简单易行、普适性强的特点。
本发明的具体实现过程如下：
一种水溶性纳米纸的制备方法，包括如下步骤：
(1)将水溶性聚合物溶于水中，配制成水溶性聚合物的水溶液；
(2)利用静电纺丝法将水溶性聚合物的水溶液沉积于覆盖有铝箔的滚筒上，得到水溶性纳米纸。
进一步，步骤(1)中，水溶性聚合物的水溶液的浓度为0.05～0.25g/mL。
进一步，所述水溶性聚合物选自聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、明胶、琼脂中任意一种或几种的组合。
进一步，步骤(2)的具体过程为将步骤(1)得到的水溶性聚合物的水溶液转移至注射器中待用，将注射器固定在注射泵上，将注射器的针头连接高压电源的正极；将覆盖有铝箔的滚筒作为接收器，并连接高压电源的负极，打开电源，进行静电纺丝过程，得到水溶性纳米纸。
进一步，步骤(2)的静电纺丝过程中，注射器中水溶性聚合物的水溶液的流速为0.4～0.8mL/h，高压电源的电压为7.00～17.00kV，收集距离为10～20cm，所述收集距离为注射器的针头与滚筒之间的距离，收集时间为30～75min。
上述的制备方法所制备得到的水溶性纳米纸。
上述得到的水溶性纳米纸在指纹结构采集中的应用。
所述应用过程是使用手指轻压在水溶性纳米纸的表面，得到采集有指纹结构的水溶性纳米纸。
本发明方法中涉及的水溶性聚合物中，明胶和琼脂溶于热水，所以在配制含有明胶和/或琼脂的水溶液时，可以根据需要在60℃及60℃以上的水浴锅中搅拌溶解或其他方式溶解。此外，在静电纺丝过程中，也可以将内含有明胶和/或琼脂的水溶液的注射器固定在恒定温度为70℃的加热套内，随后将其固定到注射泵上，将注射器的针头连接高压电源的正极；将覆盖有铝箔的滚筒作为接收器，并连接高压电源的负极，打开电源，进行静电纺丝过程。
本发明方法中静电纺丝过程由于是在实验室阶段完成的，所以使用的设备较小，滚筒的直径为8.5cm，裁剪的铝箔宽度为8～10cm，滚筒的转速为200～1000rpm。如将本实验进行扩大生产，参数会有略微调整，这一设计思路均在本发明方法及应用的保护范围内。
本发明方法的反应机理：首先配制聚合物水溶液，利用静电纺丝技术将聚合物水溶液沉积在铝箔上，获得具有高柔韧性的纳米纸材料；同时，由于手指上的汗孔与汗腺相连，可通过观察手指上水滴出现的位置及大小，从而判断手指汗孔的位置以及大小的原理。通过将手指直接按压到纳米纸表面，当手指上汗腺分泌的汗液接触到拥有大的比表面积的亲水的水溶性纳米纸表面时，由于毛细作用，纳米纸被选择性的溶解，从而获得手指汗孔的位置，手指上的凸起纹路被完整的拓印到纳米纸上，最终亲水纳米纸很好的采集到指纹的完整结构。本方法具有制备过程简便，可获得指纹完整结构、以及普适性强等特点。
本发明的有益效果是：
(1)基于静电纺丝纤维的优势，一步获得可采集指纹的纳米纸，制备条件温和，操作简单，重复性好，普适性强。
(2)通过手指直接按压纳米纸，可完整且真实的采集指纹的结构。
附图说明
图1为本发明所述水溶性纳米纸的制备方法及采集指纹结构的示意图；
图2为本发明制备水溶性纳米纸的表面形貌的扫描电子显微镜照片；
图3为本发明制备水溶性纳米纸的断面的显微镜照片；
图4为本发明具有指纹结构的水溶性纳米纸的数码照片；
图5为本发明采集指纹的一级结构显微镜照片；
图6为本发明采集指纹的二级结构显微镜照片；
图7为本发明采集指纹的三级结构显微镜照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
为了解决传统不易获得指纹精细结构、制备过程复杂、对仪器依赖性强以及普适性差等问题，本发明提供一种水溶性纳米纸的制备方法及其在指纹结构采集中的应用，本发明方法具有简单获得指纹全部结构、普适性强的特点。
本发明的设计思路：众所周知，手指上的汗孔与汗腺相连，其分泌物为汗液，汗液的主要成分为水，这使得可通过观察手指上水滴出现的位置及大小，从而判断手指汗孔的位置以及大小。受此启发，发明人通过静电纺丝技术制备具有高柔韧性、超亲水的水溶性纳米纸；进一步通过手指直接按压纳米纸，手指上凸起纹路被完整的拓印到纳米纸表面，且汗孔分泌的汗液选择性的部分溶解纳米纸，使得纳米纸很好的采集到指纹的完整结构。本方法具有简便获得指纹完整结构、普适性强等特点。
实施例1
(一)水溶性纳米纸的制备过程
本实施例所述水溶性纳米纸的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取0.6800g聚乙烯醇，溶于4mL蒸馏水中，于60℃水浴锅下磁力搅拌4h，得到浓度为0.17g/mL的聚乙烯醇溶液；
(2)将步骤(1)得到的聚乙烯醇溶液转移至5mL的玻璃注射器中，将玻璃注射器固定在注射泵上，将注射器的针头连接高压电源的正极；将覆盖有宽度为10cm铝箔，直径为8.5cm的滚筒作为接收器，并连接高压电源的负极，打开电源，进行静电纺丝，所述静电纺丝过程的参数如下：流速为0.5mL/h，高压电源的电压为14.53kV，收集距离为15cm，滚筒转速为200rpm，收集时间为60min(图1)，即得到目标产物水溶性纳米纸。扫描电子显微镜结果显示制备的纤维形貌均一(图2)，显微镜观察纳米纸厚度为14μm(图3)。
(二)水溶性纳米纸在指纹结构采集中的应用及性能测试
使用手指轻压在实施例1制备的水溶性纳米纸的表面，得到采集有指纹结构的水溶性纳米纸(图4)。水溶性纳米纸的表面形貌利用扫描电子显微镜(Hitachi，S4800)进行观察，结果表明所得到的水溶性纳米纸具有均一结构；进一步，发明人利用显微镜(重庆奥普光电技术有限公司，UY203i)观察纳米纸的厚度，并在不同的放大倍数下观察采集到指纹结构的纳米纸，可以清楚地观察到指纹的全部结构(一级、二级、三级结构)(图5-7)。
实施例2
本实施例所述水溶性纳米纸的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取0.6000g聚乙烯醇，溶于4mL蒸馏水中，于60℃水浴锅下磁力搅拌4h，得到浓度为0.15g/mL的聚乙烯醇溶液；
(2)将步骤(1)得到的聚乙烯醇溶液转移至5mL的玻璃注射器中，将玻璃注射器固定在注射泵上，将注射器的针头连接高压电源的正极；将覆盖有宽度为8cm铝箔，直径为8.5cm的滚筒作为接收器，并连接高压电源的负极，打开电源，进行静电纺丝，所述静电纺丝过程的参数如下：流速为0.4mL/h，高压电源的电压为16.70kV，收集距离为12cm，滚筒转速为800rpm，收集时间为75min，即得到目标产物水溶性纳米纸。
实施例3
本实施例所述水溶性纳米纸的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取0.8800g聚乙烯吡咯烷酮，溶于4mL蒸馏水中，于室温下磁力搅拌3h，得到浓度为0.22g/mL的聚乙烯吡咯烷酮；
(2)将步骤(1)得到的聚乙烯吡咯烷酮溶液转移至5mL的玻璃注射器中，将玻璃注射器固定在注射泵上，将注射器的针头连接高压电源的正极；将覆盖有宽度为10cm铝箔，直径为8.5cm的滚筒作为接收器，并连接高压电源的负极，打开电源，进行静电纺丝，所述静电纺丝过程的参数如下：流速为0.6mL/h，高压电源的电压为8.97kV，收集距离为14cm，滚筒转速为500rpm，收集时间为50min，即得到目标产物水溶性纳米纸。
实施例4
本实施例所述水溶性纳米纸的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取1.0000g聚乙烯吡咯烷酮，溶于4mL蒸馏水中，于室温下磁力搅拌5h，得到浓度为0.25g/mL的聚乙烯吡咯烷酮；
(2)将步骤(1)得到的聚乙烯吡咯烷酮溶液转移至5mL的玻璃注射器中，将玻璃注射器固定在注射泵上，将注射器的针头连接高压电源的正极；将覆盖有宽度为9cm铝箔，直径为8.5cm的滚筒作为接收器，并连接高压电源的负极，打开电源，进行静电纺丝，所述静电纺丝过程的参数如下：流速为0.8mL/h，高压电源的电压为7.54kV，收集距离为16cm，滚筒转速为600rpm，收集时间为30min，即得到目标产物水溶性纳米纸。
实施例5
本实施例所述水溶性纳米纸的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取0.3200g聚氧化乙烯溶于4mL蒸馏水中，于室温下磁力搅拌3h，得到浓度为0.08g/mL的聚氧化乙烯水溶液；
(2)将步骤(1)得到的聚氧化乙烯水溶液转移至5mL的玻璃注射器中，将玻璃注射器固定在注射泵上，将注射器的针头连接高压电源的正极；将覆盖有宽度为10cm铝箔，直径为8.5cm的滚筒作为接收器，并连接高压电源的负极，打开电源，进行静电纺丝，所述静电纺丝过程的参数如下：流速为0.7mL/h，高压电源的电压为16.80kV，收集距离为16cm，滚筒转速为200rpm，收集时间为40min，即得到目标产物水溶性纳米纸。
实施例6
本实施例所述水溶性纳米纸的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取0.8400g聚丙烯酸溶于4mL蒸馏水中，于室温下磁力搅拌3h，得到浓度为0.21g/mL的聚丙烯酸水溶液；
(2)将步骤(1)得到的聚丙烯酸水溶液转移至5mL的玻璃注射器中，将玻璃注射器固定在注射泵上，将注射器的针头连接高压电源的正极；将覆盖有宽度为10cm铝箔，直径为8.5cm的滚筒作为接收器，并连接高压电源的负极，打开电源，进行静电纺丝，所述静电纺丝过程的参数如下：流速为0.5mL/h，高压电源的电压为14.80kV，收集距离为16cm，滚筒转速为400rpm，收集时间为60min，即得到目标产物水溶性纳米纸。
实施例7
本实施例所述水溶性纳米纸的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取0.9600g聚丙烯酰胺溶于4mL蒸馏水中，于室温下磁力搅拌3h，得到浓度为0.24g/mL的聚丙烯酰胺水溶液；
(2)将步骤(1)得到的聚丙烯酰胺水溶液转移至5mL的玻璃注射器中，将玻璃注射器固定在注射泵上，将注射器的针头连接高压电源的正极；将覆盖有宽度为10cm铝箔，直径为8.5cm的滚筒作为接收器，并连接高压电源的负极，打开电源，进行静电纺丝，所述静电纺丝过程的参数如下：流速为0.7mL/h，高压电源的电压为12.50kV，收集距离为13cm，滚筒转速为200rpm，收集时间为40min，即得到目标产物水溶性纳米纸。
实施例8
本实施例所述水溶性纳米纸的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取0.4400g明胶溶于4mL蒸馏水中，于60℃水浴锅下搅拌5h，得到浓度为0.11g/mL的明胶水溶液；
(2)将步骤(1)得到的明胶水溶液转移至5mL的玻璃注射器中，将玻璃注射器固定到注射泵上，将注射器的针头连接高压电源的正极；将覆盖有宽度为9cm铝箔，直径为8.5cm的滚筒作为接收器，并连接高压电源的负极，打开电源，进行静电纺丝，所述静电纺丝过程的参数如下：流速为0.8mL/h，高压电源的电压为7.00kV，收集距离为12cm，滚筒转速为1000rpm，收集时间为30min，即得到目标产物水溶性纳米纸。
实施例9
本实施例所述水溶性纳米纸的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取0.68g琼脂溶于4mL蒸馏水中，于60℃水浴锅下搅拌5h，得到浓度为0.17g/mL的琼脂水溶液；
(2)将步骤(1)得到的琼脂水溶液转移至5mL的玻璃注射器中，将玻璃注射器固定到恒定温度为70℃的加热套上，并进一步固定到注射泵上，将注射器的针头连接高压电源的正极；将覆盖有宽度为10cm铝箔，直径为8.5cm的滚筒作为接收器，并连接高压电源的负极，打开电源，进行静电纺丝，所述静电纺丝过程的参数如下：流速为0.6mL/h，高压电源的电压为9.31kV，收集距离为15cm，滚筒转速为500rpm，收集时间为50min，即得到目标产物水溶性纳米纸。
实施例10
本实施例所述水溶性纳米纸的制备方法，包括以下步骤：
(1)分别称取0.6800g聚乙烯醇、0.0680g明胶溶于4mL蒸馏水中，于60℃水浴锅下搅拌5h，得到复合量为10％(明胶与聚乙烯醇质量比)的聚乙烯醇/明胶水溶液；
(2)将步骤(1)得到的聚乙烯醇/明胶水溶液转移至5mL的玻璃注射器中，将玻璃注射器固定在注射泵上，将注射器的针头连接高压电源的正极；将覆盖有宽度为8cm铝箔，直径为8.5cm的滚筒作为接收器，并连接高压电源的负极，打开电源，进行静电纺丝，所述静电纺丝过程的参数如下：流速为0.5mL/h，高压电源的电压为14.37kV，收集距离为12cm，滚筒转速为200rpm，收集时间为60min，即得到目标产物水溶性纳米纸。
实施例11
本实施例所述水溶性纳米纸的制备方法，包括以下步骤：
(1)分别称取0.6800g聚乙烯醇、0.1360g明胶溶于4mL蒸馏水中，于60℃水浴锅下搅拌5h，得到复合量为20％(明胶与聚乙烯醇质量比)的聚乙烯醇/明胶水溶液；
(2)将步骤(1)得到的聚乙烯醇/明胶水溶液转移至5mL的玻璃注射器中，将玻璃注射器固定在注射泵上，将注射器的针头连接高压电源的正极；将覆盖有宽度为10cm铝箔，直径为8.5cm的滚筒作为接收器，并连接高压电源的负极，打开电源，进行静电纺丝，所述静电纺丝过程的参数如下：流速为0.7mL/h，高压电源的电压为12.58kV，收集距离为10cm，滚筒转速为600rpm，收集时间为40min，即得到目标产物水溶性纳米纸。
实施例12
本实施例所述水溶性纳米纸的制备方法，包括以下步骤：
(1)分别称取0.6800g聚乙烯醇、0.0340g琼脂溶于4mL蒸馏水中，于60℃水浴锅下搅拌5h，得到复合量为5％(琼脂与聚乙烯醇质量比)的聚乙烯醇/琼脂水溶液；
(2)将步骤(1)得到的聚乙烯醇/琼脂水溶液转移至5mL的玻璃注射器中，将玻璃注射器固定到恒定温度为70℃的加热套上，并进一步固定到注射泵上，将注射器的针头连接高压电源的正极；将覆盖有宽度为10cm铝箔，直径为8.5cm的滚筒作为接收器，并连接高压电源的负极，打开电源，进行静电纺丝，所述静电纺丝过程的参数如下：流速为0.5mL/h，高压电源的电压为15.31kV，收集距离为10cm，滚筒转速为200rpm，收集时间为60min，即得到目标产物水溶性纳米纸。
实施例13
本实施例所述水溶性纳米纸的制备方法，包括以下步骤：
(1)分别称取0.6800g聚丙烯酸、0.1360g聚氧化乙烯溶于4mL蒸馏水中，于60℃水浴锅下搅拌5h，得到复合量为20％(聚氧化乙烯与聚丙烯酸质量比)的聚丙烯酸/聚氧化乙烯水溶液；
(2)将步骤(1)得到的聚丙烯酸/聚氧化乙烯水溶液转移至5mL的玻璃注射器中，将玻璃注射器固定到注射泵上，将注射器的针头连接高压电源的正极；将覆盖有宽度为10cm铝箔，直径为8.5cm的滚筒作为接收器，并连接高压电源的负极，打开电源，进行静电纺丝，所述静电纺丝过程的参数如下：流速为0.5mL/h，高压电源的电压为13.31kV，收集距离为10cm，滚筒转速为500rpm，收集时间为60min，即得到目标产物水溶性纳米纸。
实施例14
本实施例所述水溶性纳米纸的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取0.2000g聚氧化乙烯溶于4mL蒸馏水中，于室温下磁力搅拌3h，得到浓度为0.05g/mL的聚氧化乙烯水溶液；
(2)将步骤(1)得到的聚氧化乙烯水溶液转移至5mL的玻璃注射器中，将玻璃注射器固定在注射泵上，将注射器的针头连接高压电源的正极；将覆盖有宽度为10cm铝箔，直径为8.5cm的滚筒作为接收器，并连接高压电源的负极，打开电源，进行静电纺丝，所述静电纺丝过程的参数如下：流速为0.7mL/h，高压电源的电压为17.00kV，收集距离为20cm，滚筒转速为200rpm，收集时间为40min，即得到目标产物水溶性纳米纸。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作出的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干简单推演或替换，都应该视为属于本发明的保护范围。
