扬州大学庞欢教授《自然·通讯》：低成本、便携的纳米纤维成像技术

在法医学、皮肤病学和再生医学领域，精确复制人体皮肤细节具有至关重要的意义。然而，当前皮肤成像技术受限于硬件组件、镜头质量和拍摄环境等因素，难以捕捉微米级皮肤纹理。现场分析对成像材料的稳定性、准确性和安全性提出了极高要求，这使得高分辨率皮肤成像技术的开发面临巨大挑战。

近日，扬州大学庞欢教授和中山大学Chen Yuxin合作提出了一种低成本、便携的纳米纤维成像技术（NFIT），该技术采用CsPbBr₃@HPβCD发光纳米纤维，实现了皮肤纹理的原位、多区域超高分辨率成像。NFIT具有1450 dpi的分辨率和93.24±4.6%的微米级相似度，可清晰捕捉从汗孔到大面积皮肤区域的细微结构。其非接触式设计无需化学预处理或后处理，确保了安全性与卫生性，并在极端温度（-50°C至+50°C）和长期存储（三级特征≥81天，二级特征≥108天）条件下仍保持稳定成像。此外，研究团队还开发了支持3D皮肤纹理模型重建的算法，为法医证据分析、皮肤病评估和个性化医疗提供了突破性解决方案。相关论文以“Luminescent nanofibers for human skin textures photocopying”为题，发表在

Nature Communications

研究团队通过研磨法合成了CsPbBr₃@HPβCD纳米晶体，并选用亲脂性热塑性聚氨酯作为电纺基质，制备出可用于手持式电纺设备的成像墨水。图1展示了NFIT在10秒内实现高清三级指纹成像的过程。通过对比真实指纹与NFIT成像结果，研究发现该技术能清晰显示汗孔的尺寸、形状、位置和分布等特征，成像相似度高达93.24±4.6%，是目前汗孔成像精度最高的方法。此外，NFIT采用全非接触方式，避免了与传统墨水或电容传感器相关的化学接触或变形问题，同时其使用的DMF和DMSO剂量远低于OSHA安全限值，铅含量也低于WHO饮用水标准，确保了使用安全性。

图1 | 指纹成像过程及形态表征示意图 a. CsPbBr₃@HPβCD纳米纤维在潜在指纹上的制备过程示意图。 b. 真实指纹图像。 c. 通过NFIT获取的真实指纹发光图像，标注了三级指纹特征。 d. NFIT获取的指纹发光图像与真实指纹图像的叠加效果。 e. 电纺CsPbBr₃@HPβCD纳米纤维后潜在指纹的SEM图像。 f. 电纺CsPbBr₃@HPβCD纳米纤维后潜在指纹的放大SEM图像。 g. 钠元素分布的SEM-EDS图谱。

为进一步解析CsPbBr₃@HPβCD纳米纤维对汗液成分的响应机制，图2展示了其光谱响应与化学相互作用。研究发现，HPβCD可钝化CsPbBr₃的缺陷，增强其光致发光性能。汗液中的氯化物（如NaCl、KCl、MgCl₂）会引起PL峰蓝移和强度降低，而葡萄糖在低浓度下可增强PL强度。通过XPS、ATR-FTIR和H-NMR分析，团队揭示了HPβCD在调节CsPbBr₃与汗液成分间化学相互作用中的关键作用，尤其是其促进卤素交换和增强氯化物吸附能力的特点。DFT计算进一步证实，HPβCD显著提高了NaCl、KCl和MgCl₂在CsPbBr₃上的吸附能，从而增强了材料的响应灵敏度。

图2 | CsPbBr₃@HPβCD对汗液成分的光谱响应与化学相互作用 a. CsPbBr₃@HPβCD纤维PL峰随汗液成分浓度变化的箱线图。 b. CsPbBr₃@HPβCD纤维暴露于汗液成分后的TRPL光谱。 c. 含汗液成分的CsPbBr₃@HPβCD纤维的Pb 4f XPS谱图。 d. 添加氯化物后CsPbBr₃@HPβCD的ATR-FTIR谱图。 e. 添加葡萄糖后CsPbBr₃@HPβCD的ATR-FTIR谱图。 f. CsPbBr₃@HPβCD与氯化物添加物的吸附能模拟模型。 g. CsPbBr₃@HPβCD纤维对汗液成分的响应机制示意图。

图3通过温度依赖性PL光谱、原位PL映射和荧光寿命成像显微镜分析了CsPbBr₃@HPβCD纤维的光物理性质。研究显示，NaCl的加入加剧了高温下PL强度的下降，而葡萄糖则通过钝化效应抑制激子解离，提高了材料的热稳定性。波长依赖性PL映射和FLIM分析进一步揭示了汗孔和指纹谷区域在不同波长下的寿命分布差异，为汗液中葡萄糖分布的可视化提供了可能，未来有望与传感技术结合应用于生物医学诊断。

图3 | 光致发光表征与原位成像 a. 温度依赖性PL光谱。 b. 波长依赖性PL成像，比例尺：500 μm。 c. CsPbBr₃@HPβCD纤维对指纹残留物的波长依赖性PL成像（520 nm、510 nm、500 nm、490 nm），比例尺：500 μm。 d. 520 nm与490 nm波长下的FLIM图像，比例尺：1 mm。

图4评估了NFIT在不同环境与基底上的通用性与稳定性。实验表明，NFIT可在锡箔、石英、铁、玻璃和塑料等常见基底上快速获取高对比度指纹图像，甚至在皮革和纸张上也能实现清晰的二级指纹成像。该技术在37天老化的潜在指纹上仍能提取三级特征，且成像在极端温度下保持稳定，适用于现场采集。此外，NFIT成功实现了全掌纹的高分辨率成像，并通过STR分析证实其对DNA证据无损害，满足了法医鉴定中对无损分析的需求。

图4 | NFIT的通用性与稳定性表征 a. 不同基底上的NFIT潜在指纹图像，比例尺：1 cm。 b. 520 nm波长下CsPbBr₃@HPβCD纳米纤维指纹图像的温度依赖性PL成像。 c. 490 nm波长下CsPbBr₃@HPβCD纳米纤维指纹图像的温度依赖性PL成像。 d. 真实手掌图像。 e. NFIT获取的手掌成像。

图5展示了集成NFIT系统的便携式高分辨率指纹成像与数据分析能力。该系统由手持电纺设备和智能手机或计算机平台组成，可在1小时内采集并存储100枚指纹。通过自主研发的图像处理程序，系统将图像转换为灰度数据，并生成2D/3D模型，大幅降低了计算与存储需求。3D重建模型细节丰富，支持指纹形态的镜像反转，为法医鉴定和高精度认证提供了有力工具。

图5 | 集成NFIT系统用于指纹数据提取与处理 a. 用于指纹提取与成像的集成NFIT系统。 b. 指纹图像至灰度数据的转换与存储。 c. 灰度值分布及对应的3D模型。

图6进一步扩展了NFIT的应用范围，实现了额头、腹部、手背和脚底等多部位皮肤纹理的快速复印与3D建模。即使在汗液分泌较少的区域，该系统仍能通过电纺机制在5分钟内完成高清晰度成像。这些3D皮肤纹理数据集不仅提升了游戏、动画和影视特效的渲染真实感，还推动了虚拟试穿、个性化定制以及无创皮肤病诊断与健康监测技术的发展。

图6 | 集成NFIT系统用于身体皮肤复印与3D模型构建的工作流程 集成NFIT系统对额头、腹部、手背和脚底皮肤纹理的复印与3D建模过程，比例尺：1 cm。

这项基于发光纳米纤维的成像技术突破了传统皮肤成像的精度与安全性限制，为生物识别安全、个性化医疗和跨学科研究提供了前所未有的工具。其低成本、便携与高效的特点，使得高分辨率皮肤复印与3D建模在未来法医科学、临床诊断与消费科技中具有广阔的应用前景。