指纹

指纹（fingerprint）是人末节指掌侧面的皮肤，由于真皮乳头突起形成许多整齐排列的乳头靖，形成皮幡（表皮靖）线，在皮靖线之间则为多数凹陷的皮沟，表皮便呈现相应的凹凸花纹。指纹具有重要的法医学意义。人的指纹各不相同且终身不变。

指纹可分成三类：第一类是明显纹（patent fingerprint），指的是不经任何处理就肉眼可见的指纹，如手直接按压在玻璃等光滑表面留下的痕迹，或者沾了油墨后直接按压留下的指纹。第二类是成形纹（plastic fingerprint），指的是手指直接按压在较柔软的物质表面留下的痕迹，如橡皮泥、蜡烛等材料表面。这类材质非常软，手指直接接触后，会留下立体、凹凸不平的指纹纹路。第三类指纹也是最常见的指纹，即潜伏指纹（latent fingerprint），指的是手指表面带有的一些物质（如汗孔自然分泌的汗液或其他部位的油脂）经手指摩擦或按压，转移至载体表面，直接肉眼观察不易发现指纹纹路，但是经过特殊处理，即可显现出这些潜在的指纹。现代指纹显现技术基本上都是基于对潜指纹的显现发展起来的。

成形纹

指纹是表皮上突起的纹线，是皮下组织对指肚表皮顶压方向的不同造就了这不同的类型，有斗型（whorl）、弓型（arch）和箕型（loop）。还有与这三类相关，可被称为异常结构纹的四种结构纹类型，简称异构，有：上箕下绕异构纹、箕斗异构纹、双箕同向异构纹、弧弓箕异构纹。

指纹形状

斗形纹又称蜗形纹。中心区皮纹由1条以上的环线或螺形线或曲形线组成，可分为环形斗、螺形斗、双箕斗、囊形斗、杂形斗5种。

斗型

弓形纹皮纹由指尖一侧开始做弓形隆起走向他侧，由于弓形纹线弯曲的程度不同，又分为：①弧形纹，其特点是弓形线中部轻微隆起；②帐形纹，中部突起特高，如尖山状，中央有尖角或垂直线。

弓型

箕形纹又称蹄形纹。皮纹由指头一侧斜向他侧上方回旋成箕形后，再折回起始的一侧。如此，在起始侧有一箕口，根据箕口的方向又可分为两种——箕口对着拇指者称反箕，箕口对着小指者为正箕。

箕型

它是由英国人亨利·福尔茨（Henry·Fulds）提出的，也就是第一位撰写《指纹学》的亨利。他是英国皇家内外科医师学会会员，教授生物学。他在日本传教期间，看到许多日本的文件和中国的文件一样，常常按捺手印，就开始大量收集指纹进行研究，并组织日本的学生和医生进行各种有关指纹的试验，从而证明了每个人的指纹各不相同。

“指纹终身不变”的理论，是由吉森大学讲师、人类学家奥克尔（Welker）在1856年提出的。他对自己34岁和75岁时的指纹进行了对比，发现指纹的纹形类型和细节点特征没有变化，于是提出这一理论。“指纹终身不变”是指指纹的嵴线形状在一生之中不会改变。人出生后随着年龄的增长，嵴线会变粗、纹形面积会增大。但到了成年之后，这些变化就不明显了。“指纹的终身不变”，还表现在它具有一定的复原性和难以毁灭性。复原性来源于真皮乳头的再生能力，只要不伤及真皮，即使表皮大面积剥脱也能慢慢恢复起来，而且保持与原来的完全同样的纹形和结构，以及全部特征点。

20世纪50年代，霍尔特（Holt)及迪塞克雷(De Cenchy)和凯利(Kelley)等人，分别对同胞兄弟姐妹、有亲缘关系的父母和子女，及同卵双生、异卵双生的指纹幡线数进行大量测量与计算，证明指纹具有很强的家族遗传性。

由于在人的手指、手掌面的皮肤上，有大量的汗腺和皮脂腺，只要生命活动存在，就不断地有汗液、皮脂液排出，类似于原子印章不断有油墨渗到印文表面，因此，只要手指、手掌接触到物体表面，就会像原子印章一样留下印痕。

指纹一般指的是手指末端皮肤上特有的花纹，由皮肤上的隆起线构成；广义的指纹则包括指头纹、指节纹和掌纹。凸起的部分被称作乳突线，凹下去的部分则被称作小犁沟。乳突线的起点、终点、分叉点、结合点等都被称为指纹的细节特征点，这种细节特征有无数种排列， 目前世界各地尚未发现两枚一模一样、具有同样纹路和细节的指纹。

指纹内部构造

孕后第5～6周，胚胎出现手板；第7周，手板上出现指面雏形，并出现掌垫；第8周，手指明显呈分节状，并出现指垫。手指的出现为指纹的存在提供了基础，指纹就在其上面慢慢地长出来。当胚胎发育到10～11周时掌垫开始退化，出现表皮脊纹。到第13周时，表皮脊纹以小范围细胞增殖形式出现在基质层，基质层上皮快速完成从起伏不平到波浪状变化的过程，并形成上皮褶皱嵌入真皮之中。这些嵌入真皮的上皮褶皱就是原生脊，它们确立了未来指纹的雏形，在第16周时变得更为明显。第14周左右，汗腺原生细胞非常规律地一行隔着一行出现在脊纹的顶端。第15～17周，会出现表皮脊纹发育的一些关键性事件：表皮的角质层出现初步的角蛋白沉淀；同时，还出现没有汗腺原生细胞的继生脊，也称沟样皱襞[bì]。相当于我们所见到的脊纹之间的纹沟。17周后，胚胎具有的脊纹结构类似于成人的脊纹结构。孕后的第4个月左右，发生了一些变化：此时，原生脊已经获得了足够的增殖以至细胞向上凸起，形成我们常见的脊纹。此时的指纹结构特征呈唯一性，并终身保持不变。脊纹发展到第19周左右，完成核心纹和其余主要框架的构建，并逐渐出现清晰可辨的部分指纹。此后，指纹还会随着胎儿的发育（如指骨逐渐增粗所造成皮肤面积的扩大）而不断地得到补充和完善，对一些细节部分进行修正，直到胎儿发育终止，指纹的形成过程方告结束。但儿童在成长期间指纹会略有改变，直到青春期14岁左右时才会定型。

指纹可以增加摩擦力，人类指纹就好像汽车轮胎的花纹一样，在我们抓取物体时，产生了更多的“抓力”，让我们可以较为牢固又较为轻松地的抓住有点光滑的物体，不至于滑落。猴子和考拉要是没有指纹，爬树登高一定会有不少郁闷。另外一种功能则与增加“摩擦力”有点相反，指纹肌肉起伏造成的变形拉伸“冗余度”，在增加摩擦力的同时，也限制摩擦力过度增加以避免在过度用力时产生皮肤损伤。有“润滑”作用。指纹的存在，折中了人类在抓取粗糙物体或者光滑物体时，可能产生的对摩擦力的矛盾需求。

指纹的存在有利于人类提高触觉的灵敏度。沟壑纵横起伏变化的指纹下面约2毫米处，布满了称作为“帕西尼氏小体”的感受细胞，是人类神经末梢的组成部分，是皮肤的触觉、压力、热量和振动的感受器。研究人员实验表明，指纹纹路的起伏设计有利于提升“帕西尼氏小体”的感受灵敏度。我们能感受到“丝绸般的光滑”或者是“盲文般的凸起”部分仰仗于指纹的存在。人类没有甲虫那样的“触角”，某种程度上，指纹勉为其难可以充当。

手指表皮的修复能力极强，从一个基底细胞的产生到最后失去生命力而成为角质细胞（皮屑》脱落，正常人需要26～28天的时间。凸出的脊纹因最先接触到物体而做出适当反应，虽然这时具本身可能受到了伤害，但大多数深层组织却得到了保护。

通常的采集，直接不轻不重按上去即可，油墨不要太多也不要太少。有一种滚动式的摁印，可以更多地采集大面积的指纹。通过照相，可以将纸面上的指纹数字化。

利用在光线（多采用红外光）照射下，指纹脊谷高度差引起的明暗对比，再用光敏CCD元器件将明暗对比电信号转化成数字图像，原理上跟现代手机、相机拍照片没有太大不同。图9所示是它的原理图。红外光从棱镜一侧投向指纹，全反射原理的棱镜在另一侧接收纹线凹凸起伏造成的明暗对比光信号，CCD阵列负责处理产生的影像。

光学原理的指纹采集器及指纹图像

基于半导体传感器原理的指纹采集器，有电容式和电感式之分，其原理类似。当我们用指尖接触半导体器件表面时，由于指纹的脊谷凹凸不平，这种接触空间变化形成的电磁场就会有变化。半导体芯片将这种电容/电感的差别转化成电信号，再转化成指纹图像就大功告成了。这几十年IC芯片的性能进步日新月异，这种原理的指纹采集仪，因为没有光学镜头参与，可以做得很小（就是一张指尖大的平面），在手机一类应用上比较常见。

半导体芯片原理的指纹采集器

指纹的脊谷凹凸不平，肌肉和空气的导热性能也是不同的，这种温差也可以用来采集指纹。采用“条状”温度传感器采集温差信息并将其转换成图像，然后再将条状图像拼接成正常的图像（二维），这种原理做成的指纹采集仪尺寸可以很小，可以应用在手机、笔记本电脑、鼠标等器件上。

条状热敏元器件的指纹采集原理

传统的指纹显现方法可分为4类，分别为：物理显现法、化学显现法、物理化学显现法、光学显现法。具体技术包含碘熏法、物理显影液显现法、半导体量子点显现法，光学显现也是指纹鉴定的一大主流，如通过紫外光检验法、红外光谱成像法、质谱成像技术显现、免疫荧光标记显现等，下文主要描述常用的几种方法。

硝酸银法最早可追溯至1877年，其历史可要追溯到1877年。法国医生Aubert在研究皮肤病与腺体分泌过程中，无意间发现硝酸银能显现出汗液指纹，标志着指纹显现技术研究的开端。该方法的原理是由于指纹的化学成分十分复杂，由汗腺分泌的物质中含有钠离子、磷酸盐、氯化物等，硝酸银与指纹汗液中的氯化钠反应，AgNO₃+NaCl=AgCl↓+NaNO₃，其中AgCl会在阳光下作用下颜色逐渐变成黑色，从而将指纹得以显现。

化学试剂显现出的指纹

该方法的主要原理用其主要成分α-氰基丙烯酸乙酯可以与指纹残留物中的水和氨基酸等发生聚合，形成聚合物将其显现，α-氰[qíng]基丙烯酸乙酯[zhǐ]结构中含有强吸电子的腈[jīng]基(―CN)，在指纹汗液中的物质发生聚合反应，产生的乳白色物质，由于乳白色颜色对比度不够明显，研究人员通过有色物质将其熏染后，可显著提高显现效率。

“520”胶显现法原理

茚三酮又称宁西特林，化学名为2,2-二羟基二氢化茚-1,3-二酮，是一种白色或浅黄色的结晶粉末，茚[yìn]三酮[tóng]法则是根据带有血液的手指分泌物中含有氨基酸，茚三酮溶液与α-氨基酸反应分两步骤，首先氨基酸被氧化生成CO₂、NH₃、醛基（R-CHO），茚三酮被还原成还原型茚三酮，还原型茚三酮进一步与茚三酮、NH₃发生缩合生成紫色物质（鲁赫曼紫），由此将隐形的手印显现出来。

茚三酮法测定氨基酸反应原理

由于鲁赫曼紫具有不稳定性，需要进行二次反应来提高灵敏度，所以研究者们合成了一种新型茚三酮同系物，不需要经过二次处理就能产生强烈荧光的物质来提高显现灵敏度，这其中优秀的代表当属DFO（1,8-二氮杂芴-9-酮），其反应机理与茚三酮类似，可与氨基酸反应生成淡粉色物质，灵敏度高，但该方法价格更为昂贵。

DFO测定氨基酸反应原理

以上的方法虽然在指纹鉴定中贡献卓越，但是自身也存在毒性问题，危害侦查员的健康安全，京尼平法(genipin)由此应运而生，京尼平为提取自栀子果实的环烯醚萜葡萄糖苷(京尼平苷[gān])经β-葡萄糖苷酶水解后的产物，其所含有的活性官能团(羟基、酯基、烯基)可以与指纹中的氨基酸发生交联反应，生成肉眼可见的蓝紫色荧光物质（栀子蓝色素），其反应条件受酸碱度的影响，当反应条件为酸性或中性条件时，会发生亲核反应，京尼平C-3位烯碳原子使二氢吡喃环打开，而后氨基N亲核进攻醛基中间体上的C原子，羟基离去，形成杂环胺。在碱性条件下，氨基酸上的氨基仅亲核进攻京尼平C-11酯基碳原子，而后脱去一分子甲醇生成目标物。

京尼平与氨基酸反应的两种机理

指纹识别技术指纹识别技术主要根据人体指纹的纹路、细节特征等信息对操作者或被操作者进行身份鉴定，是目前生物检测学中研究最深入、应用最广泛、发展最成熟的技术。它具有很高的实用性和可行性。因为每个人的指纹独一无二，任何两个人之间不存在相同的指纹；每个人的指纹是相当固定的，很难发生变化，指纹不会随着人年龄的增长或身体健康状况的变化而变化；指纹样本便于获取，易于开发识别系统，实用性强。因此，指纹识别技术主要用于个人身份鉴定，可广泛用于考勤、门禁控制、个人计算机（PC）登录认证、私人数据安全、电子商务安全、网络数据安全、身份认证、机场安全检查、刑事侦破与罪犯缉捕等。中国唐代曾使用指纹或掌纹作为凭信，用来签订契约。

指纹类型和指纹的皮嵴线与人类疾病如精神分裂症、乳腺癌等密切相关。对先天性心脏病的研究表明，在法洛四联症患者中，斗形纹出现率为33%；在主动脉狭窄患者中出现率为41%；在冠心病患者中出现率为50.59%，高于对照组的45.80%；在肺动脉狭窄、室间隔缺损和房间隔缺损患者中尺侧箕形纹出现率高达60%~70%，但桡侧箕形纹则出现率很低。这些研究结果提示，手指纹的变化对某些疾病的筛查可能有一定的指导意义。

制作基因指纹，用于刑事鉴定科学，基因指纹用于刑事鉴定的准确率远高于传统的指纹。而且只需获得亿分之一的取样量就可进行，方便易得。

罪犯在犯案现场留下的指纹，是警方追捕疑犯的重要线索，1890年代，胡安·乌斯廷克（Juan Ustink）提出将指纹作为确定罪犯身份的唯一方法并被阿根廷警察部门认可，从此，指纹识别成为各国警察和法医鉴定人类身份的重要手段。

中国手纹的研究具有悠久的历史，在中国新石器时代后期，距今约六干多年前母系氏族公社的西安半坡人，创造了具有文字性质的刻划符号和彩陶、雕塑等工艺品，并在陶器上保留下世界上最早的指纹印迹。这种制陶者的指纹，其中一类可能是无意识留下来的，另一类单个指纹很可能是有意识捺印的，作为制陶者个人的标志。中国是世界上应用指纹最早的国家。公元4300年前，先民模仿着指纹图形在陶器上绘制成装饰图案，叫做“雷纹”(又称“云纹”或“云雷纹”)。郭沫若先生在《青铜器时代》一文中认为：“雷纹者，余意盖脱胎于指纹。古者陶器以手制，其上多印有指纹，其后仿制之而成雷纹也。”二千多年前，中国出现厂粘土指纹，美国芝加哥的菲尔特博物院收存的中国周代或西汉以前的占代指纹泥印，正面刻着主人的名字，反面印着—个拇指纹，这是世界上最古老的指印凭证。奏汉时代盛行封泥制，在书简文牍[dú]分发时，在捆扎处封以粘土泥，盖上印章或指纹作为信验，以防私拆。这样封泥指纹，一部分是作为个人鉴定用的，以示真实和信证，并为防止伪造。这表明中 国祖先早已认识到指纹人各不同，可以代表个人，也可以用指纹来识别个人。中国是世界上应用指纹的发源地。古代指纹的应用最广泛的领域，首先是用在文书契约上。中国汉唐时期就已广泛应用指纹、指节和手掌纹，作为证明和识别个人的重要手段，至今有一千三百多年的历史。 新中国成立后，中国考古学者发现了不少“画指文书”，1964年在新疆吐鲁蕃阿斯塔那左幢熹墓，出土八件唐代的文书契约，其中举契四件，举练契两件，买草契和买奴契各一件，每张契约上均写着“两和主契画指为信”等。每张契约的落款处、当事人、中保人和知见，都在自己名下画上手指(中指或食指)的三个指节间的距离，即“画指文书”作为凭证。1959年在新疆米蓝城出土一份唐朝藏文的借票契约，落款处按有四个红色指纹印，其中一个指印至今清晰可辨，按指印比画指更进一步，而按整个手的指常纹，可能晚于画指而早于按单独的指印。1964年在新疆出土两件延寿四年(公元627年)的遗言文书，均以右手手印为信证。

展开