邊孟孟 徐夢(mèng) 袁亞利 聶瑾芳

摘要構(gòu)建了一種基于DNA金納米粒子（DNAAuNPs）的無(wú)標(biāo)記比色陣列傳感器，用于多種金屬離子的鑒別。以不同長(zhǎng)度單鏈DNA（ssDNA）鏈（15A、 30A和45AT）作為非特異性受體，分別與AuNPs結(jié)合，構(gòu)成3個(gè)復(fù)合體系（15A DNAAuNPs、30A DNAAuNPs、45AT DNAAuNPs），作為此傳感器的3個(gè)陣列傳感元件。在高濃度鹽的存在下，不同的金屬離子可觸發(fā)DNA保護(hù)的AuNPs顯示出不同的聚集行為并呈現(xiàn)各種顏色變化。以紫外可見(jiàn)吸收光譜作為傳感器的響應(yīng)信號(hào)，通過(guò)主成分分析（PCA）和線性判別分析（LDA）對(duì)此比色傳感器的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 11種不同重金屬離子（Ag+、Pb2+、Zn2+、Cu2+、Cd2+、Mn2+、Ni2+、Co2+、Hg2+、Bi3+、Cr3+）在0.5 μmol/L水平下，通過(guò)LDA可得到很好的區(qū)分。

關(guān)鍵詞DNA金納米粒子; 化學(xué)計(jì)量學(xué); 多維比色傳感器; 重金屬離子

1引 言

近年來(lái)，由于人類活動(dòng)導(dǎo)致的鉛、汞、鋅、銅、鐵等各種重金屬[1]的過(guò)度使用及排放日益加劇，通過(guò)空氣、水、食物等方式進(jìn)入人體，并在體內(nèi)積累[2]。雖然微量重金屬元素可調(diào)節(jié)機(jī)體內(nèi)的生物酶活性，增進(jìn)宏量元素在體內(nèi)的傳輸[3]，但過(guò)量重金屬可抑制酶的活性，破壞正常的生物化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生遺傳毒性、生殖毒性等，極大地影響人類健康和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展[4～6]。重金屬離子通常以混合物的形式存在于環(huán)境中，已有研究表明，當(dāng)多種重金屬離子同時(shí)存在時(shí)， 常表現(xiàn)出協(xié)同毒性[7]。因此，對(duì)于多種重金屬離子同時(shí)檢測(cè)具有重要的意義。

目前，檢測(cè)重金屬離子的傳統(tǒng)方法包括原子熒光光譜法（AFS）[8]、原子發(fā)射光譜法（AAS）[9]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICPMS）[10]等，分析的準(zhǔn)確度、精密度和靈敏度均可達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)要求，而且可實(shí)現(xiàn)重金屬離子的同時(shí)檢測(cè)。然而，傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)從采樣到檢測(cè)的全程耗時(shí)較長(zhǎng)，檢測(cè)多使用大型設(shè)備，成本較高，難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)定量或定性分析。

近年來(lái)，多維傳感器在檢測(cè)重金屬方面取得較大進(jìn)展[11]。多維傳感器使用陣列傳感器，改變了一個(gè)傳感器只對(duì)應(yīng)一種分析物的模式，通過(guò)利用多維傳感器的綜合效應(yīng)對(duì)每個(gè)分析物產(chǎn)生獨(dú)特的響應(yīng)模式，從而獲得一系列目標(biāo)物之間的差異，可檢測(cè)和區(qū)分多種分析物[12]。多維傳感器解決了傳統(tǒng)儀器檢測(cè)中需要大型儀器、儀器操作需專業(yè)人員、檢測(cè)成本高、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、過(guò)程繁瑣等問(wèn)題，在靈敏度、選擇性、多重檢測(cè)能力和便攜性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

Cao等[13]報(bào)道了一種丹磺酰官能化熒光膜傳感器，實(shí)現(xiàn)了Cu2+和Hg2+的識(shí)別。Wu等[14]設(shè)計(jì)了4種具有普通聚對(duì)苯乙烯亞乙炔基（PPE）主鏈和不同離子側(cè)鏈的陰離子共軛聚電解質(zhì)（CPE），通過(guò)4種PPE傳感器陣列的熒光強(qiáng)度響應(yīng)模式，同時(shí)區(qū)分8種金屬離子。這些方法有效提高了重金屬檢測(cè)效率，但用于傳感器的材料需要通過(guò)復(fù)雜的化學(xué)合成和繁雜的處理步驟，仍存在局限性。此類具有多維信息的材料難以設(shè)計(jì)或合成，而現(xiàn)有的基于納米材料的傳感器大多只有一個(gè)傳感元件。由于傳感器的分辨能力嚴(yán)重依賴于傳感元件的個(gè)數(shù)，因此，這些單傳感元件的傳感器因分辨能力有限而限制了其廣泛應(yīng)用[15]。開發(fā)具有不同傳感能力且易于制備的新材料是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵。

DNA與金納米粒子（AuNPs）的組合為可擴(kuò)展的多維傳感器的開發(fā)提供了解決方案。DNA易于合成，以DNA作為傳感器元件不僅可很好地解決上述傳感器材料合成困難的問(wèn)題，同時(shí)，DNA堿基序列排列的多樣性也為多維傳感器識(shí)別多種分析物提供了更多的可能性[16]。AuNPs是制備多維傳感器的潛在納米材料，如將具有多維信息的DNA結(jié)合到納米材料上，就可能構(gòu)建出具有無(wú)限感應(yīng)元件的多維傳感器。AuNPs因具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)、良好的生物兼容性和易于進(jìn)行表面修飾等優(yōu)點(diǎn)，在生物傳感器中被廣泛應(yīng)用[17]。目前，已有很多種制備AuNPs的成熟方法，如溶劑還原法、水熱法、微波合成法等，這些制備方法都比較簡(jiǎn)單; AuNPs的物理化學(xué)性質(zhì)，如等離子體共振吸收、吸收光譜、熒光猝滅效率和電導(dǎo)率，可通過(guò)識(shí)別元件與分析物之間的結(jié)合而改變，從而產(chǎn)生可被檢測(cè)的響應(yīng)信號(hào)[18]。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，基于DNAAuNPs的多維傳感器，具有無(wú)限感測(cè)元件和出色的辨別能力。

Sun等[19]設(shè)計(jì)了一種以DNAAuNPs為傳感元件的鑒別蛋白質(zhì)的雙通道（熒光、比色）三維傳感器，可區(qū)分濃度為50 nmol/L的11種蛋白質(zhì)，準(zhǔn)確度達(dá)到100%，而且可同時(shí)區(qū)分兩種具有不同濃度和物理化學(xué)性質(zhì)的蛋白質(zhì)和不同摩爾比的混合物。然而，此傳感器陣列需要3種FAM標(biāo)記的DNA 序列作為識(shí)別元件。2017年，Wei等[20]僅用兩種無(wú)標(biāo)記的ssDNA（15A和30A）作為受體陣列，依據(jù)不同的蛋白質(zhì)可觸發(fā)DNA保護(hù)的AuNPs，顯示出不同的聚集行為以及各種顏色變化，開發(fā)了一種簡(jiǎn)易的單通道二維比色傳感器，在50 nmol/L水平下，裸眼即可很好地區(qū)分12種蛋白質(zhì)，相似的蛋白質(zhì)混合物和未知樣品的區(qū)分精度均能達(dá)到100%。相比于Sun等[19]的研究，Wei等[20]設(shè)計(jì)的傳感器操作更便捷，識(shí)別性能更佳。在已報(bào)道的大部分文獻(xiàn)中，基于DNAAuNPs的多維傳感器主要應(yīng)用于蛋白質(zhì)的鑒別和檢測(cè)。Tan等[21]首次利用DNAAuNPs復(fù)合體系構(gòu)建了一種雙通道（比色和熒光）多維傳感器，可同時(shí)檢測(cè)和鑒別9種重金屬離子，但此傳感器比較復(fù)雜，不僅需要采用3種FAM標(biāo)記的DNA，同時(shí)需要熒光和比色兩種方法，檢測(cè)步驟比較繁瑣。

為了構(gòu)建一種簡(jiǎn)易的、無(wú)標(biāo)記的單通道多維比色傳感器，實(shí)現(xiàn)多種重金屬離子的同時(shí)鑒別，本研究建立了一種無(wú)標(biāo)記的重金屬離子鑒別方法?；贒NAAuNPs復(fù)合體系，在高濃度鹽的存在下，不同的金屬離子可引起不同DNA保護(hù)的AuNPs顯示出不同的聚集行為，并呈現(xiàn)各種顏色變化，構(gòu)建了一種簡(jiǎn)易的用于鑒別重金屬離子的比色傳感器。此比色傳感器由3個(gè)DNAAuNPs復(fù)合體系構(gòu)成，分別為15A DNAAuNPs、30A DNAAuNPs和45AT DNAAuNPs，與11種重金屬離子產(chǎn)生不同的比色響應(yīng)信號(hào)（吸光度變化）。以625和519 nm處的吸光度的比值K（K=A625 nm/A519? nm）量化AuNPs的聚集程度，結(jié)合主成分分析法（PCA）和線性判別分析（LDA），此傳感器可區(qū)分11種重金屬離子。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1儀器與試劑

TU1901紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（北京普析通用儀器有限公司）; PHS3C數(shù)顯酸度計(jì)（杭州奧利龍儀器有限公司）; EL204電子天平（梅特勒托利多儀器（上海）有限公司）; ZS90全自動(dòng)電位圖像分析儀（南寧藍(lán)天科技設(shè)備）。

HAuCl4（99.9%，國(guó)藥集團(tuán)試劑有限公司）; 15A、30A、45AT的DNA（HPLC純化，生工生物工程（上海）有限公司合成）。其它藥品和劑均為分析純; 實(shí)驗(yàn)用為二次蒸餾水。

2.2AuNPs的制備

采用檸檬酸三鈉還原法制備AuNPs [20]。首先，在250 mL圓底燒瓶中加入100 mL 1 mmol/L HAuCl4溶液，加熱至沸騰，在攪拌狀態(tài)下快速加入10 mL 38.8 mmol/L檸檬酸三鈉溶液，在攪拌下繼續(xù)加熱15 min，溶液逐漸變成酒紅色。冷卻至室溫，即制得檸檬酸根保護(hù)的AuNPs，于4℃保存。

2.3DNAAuNPs的制備

DNA用pH=7.4的PBS緩沖溶液配制成1 μmol/L的溶液，于95℃加熱5 min，然后逐漸冷卻至室溫。將90 μL 1 μmol/L DNA 與600 μL AuNPs溶液混合，室溫孵育12 h，得到DNAAuNPs。

2.4金屬離子的鑒別

將90 μL一定濃度的金屬離子溶液加入630 μL DNAAuNPs溶液中，在37℃下反應(yīng)30 min，促進(jìn)DNAAuNPs與金屬離子的結(jié)合。向上述混合物中加入180 μL 120 mmol/L NaCl溶液，檢測(cè)體系的紫外可見(jiàn)吸收光譜。所獲得的光譜數(shù)據(jù)用主成分分析（PCA）和線性判別分析（LDA）方法處理。經(jīng)典的PCA和LDA程序在MATLAB環(huán)境下編寫和運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)分類數(shù)據(jù)特征的提取。對(duì)實(shí)驗(yàn)中得到的11種金屬離子的吸光度比值K及紫外可見(jiàn)吸收光譜進(jìn)行整理，構(gòu)成一定空間的矩陣。PCA和LDA這兩種模式識(shí)別方法可以此為基礎(chǔ)提取第一第二特征向量（及第三特征向量），對(duì)11重金屬離子進(jìn)行區(qū)分鑒別。所得數(shù)據(jù)結(jié)果圖中的坐標(biāo)軸即為提取的特征向量（即主成分矢量）。

3結(jié)果與討論

3.1實(shí)驗(yàn)原理

基于DNAAuNPs的比色傳感器以3種無(wú)標(biāo)記、非特異性的DNA序列（15A、30A、45AT）作為傳感元件，鑒別不同的重金屬離子，原理如圖1所示。檸檬酸三鈉還原法合成的AuNPs表面吸附了大量的檸檬酸根負(fù)離子，AuNPs粒子間因靜電斥力而在溶液中保持分散狀態(tài)。加入DNA后，DNA鏈上的堿基通過(guò)非共價(jià)作用吸附在AuNPs表面，DNA帶負(fù)電的磷酸鹽骨架增加了AuNPs表面的負(fù)電性，使得AuNPs在高鹽濃度下不發(fā)生團(tuán)聚，對(duì)AuNPs具有保護(hù)作用。當(dāng)加入金屬離子時(shí)，一方面，帶正電的金屬離子中和了堿基上磷酸基團(tuán)所帶的負(fù)電荷; 另一方面，金屬離子與DNA的堿基發(fā)生相互作用，從而使DNA的保護(hù)作用被削弱，DNAAuNPs復(fù)合體系的穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，導(dǎo)致在高鹽濃度下AuNPs發(fā)生聚集，AuNPs溶液顏色也發(fā)生變化。不同的金屬離子與DNA的相互作用強(qiáng)弱不同，影響AuNPs的聚集程度及其顏色變化。合成的AuNPs在分散狀態(tài)下呈酒紅色，最大吸收波長(zhǎng)約520 nm。當(dāng)AuNPs溶液發(fā)生聚集時(shí)，隨著聚集程度增大，溶液由酒紅色變?yōu)樽仙⑺{(lán)色甚至灰色，此時(shí)溶液最大吸收波長(zhǎng)紅移。以分別代表AuNPs分散狀態(tài)和聚集狀態(tài)時(shí)519 nm和625 nm處的吸收強(qiáng)度比值K（K=A625 nm/A519? nm）衡量AuNPs的聚集程度，K值越大，AuNPs的聚集程度越嚴(yán)重，以此鑒別不同的重金屬離子。

3.2AuNPs的表征

AuNPs的粒徑大小及均一性均可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。合成的AuNPs的紫外可見(jiàn)吸收光譜如圖2A所示，特征吸收峰在519 nm處，且吸收峰尖銳，表明粒徑分布比較均勻[23]。利用全自動(dòng)電位圖像分析儀對(duì)合成的AuNPs進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2B所示，AuNPs的直徑約為21 nm，粒徑較均勻。

3.3NaCl濃度的優(yōu)化

溶液的離子強(qiáng)度是影響AuNPs穩(wěn)定性的因素之一[24]。本傳感體系中，AuNPs聚集程度隨著NaCl的濃度增大而增大，當(dāng)NaCl濃度很低時(shí)，AuNPs可長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，不發(fā)生聚集。然而，如果NaCl濃度過(guò)高，DNA 保護(hù)的AuNPs也會(huì)發(fā)生明顯的聚集行為，影響傳感器對(duì)金屬離子的鑒別能力[25]。因此，選擇合適的鹽濃度尤為重要。如圖3所示，對(duì)于沒(méi)有DNA保護(hù)的AuNPs、15AAuNPs和30AAuNPs，分別以NaCl濃度變化對(duì)吸光比值K（K=A625 nm/A519 nm）作圖，由圖3可見(jiàn)，當(dāng)加入濃度為120 mmol/L的NaCl溶液時(shí)， AuNPs和15AAuNPs之間以及AuNPs和30AAuNPs之間的K值差異達(dá)到最大值。因此，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中選擇加入的NaCl溶液濃度均為120 mmol/L。此外，30個(gè)堿基DNA對(duì)AuNPs的保護(hù)效果優(yōu)于15個(gè)堿基DNA，推測(cè)更長(zhǎng)序列的DNA對(duì)AuNPs保護(hù)效果更好。因此在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中還引入了45個(gè)堿基的DNA，增加了傳感器的傳感元件，檢驗(yàn)其是否可更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬離子的鑒別。

3.4金屬離子的鑒別

3.4.1可行性實(shí)驗(yàn)為了證明本比色傳感體系的可行性， 將11種常見(jiàn)重金屬離子（Ag+、Pb2+、Zn2+、Cu2+、Cd2+、Mn2+、Ni2+、Co2+、Hg2+、Bi3+、Cr3+）分別加入15A DNAAuNPs和30A DNAAuNPs體系中，各金屬離子的濃度均為10 μmol/L。如圖4A所示，

不同金屬離子加入兩種不同DNA保護(hù)的AuNPs體系時(shí)，AuNPs發(fā)生聚集的程度不同，產(chǎn)生特定的顏色變化， 裸眼即可辨別。通過(guò)測(cè)定溶液的吸收光譜，計(jì)算每種金屬離子在兩個(gè)體系中的K值。由圖4B可見(jiàn)，不同重金屬離子在15AAuNPs和30AAuNPs體系中有特征的響應(yīng)值K，證明此傳感器用于多種重金屬離子鑒別的可行性。

3.4.2PCA分析（1）二維比色在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，將11種濃度各為0.5 μmol/L金屬離子（Ag+、Pb2+、Zn2+、Cu2+、Cd2+、Mn2+、Ni2+、Co2+、Hg2+、Bi3+、Cr3+）依次加入15A DNAAuNPs和30A DNAAuNPs溶液中，測(cè)定各個(gè)反應(yīng)液的吸收光譜，得到22個(gè)響應(yīng)信號(hào)，以K值表示，每一個(gè)樣品平行實(shí)驗(yàn)次數(shù)為4次，最終獲得88個(gè)K值。

PCA是一種基于變量之間線性組合計(jì)算的建模方法，可解釋數(shù)據(jù)中的最大方差。此方法可對(duì)原始光譜變量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到的新變量能最大限度地表征原變量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征，通常2個(gè)或3個(gè)主成分的累計(jì)方差足以解釋總方差，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的降維[22]。利用PCA方法對(duì)比色傳感器獲得的88個(gè)響應(yīng)K值進(jìn)行判別分析，圖5為前2個(gè)主成分PCA1和PCA2組成的二維空間圖，圖5中的各個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)為每個(gè)分析樣品的2個(gè)傳感元件（15A、30A）響應(yīng)值的二維數(shù)據(jù)坐標(biāo)位點(diǎn)。在PCA二維散點(diǎn)圖中，大多數(shù)樣本點(diǎn)集中在圖5的右側(cè)區(qū)域內(nèi)，少數(shù)10個(gè)樣本點(diǎn)分布于圖5的左側(cè)區(qū)域，同一類樣本點(diǎn)分散開，不同類樣本點(diǎn)間相互交叉或重疊，沒(méi)有達(dá)到聚類效果。

（2）三維比色通過(guò)分析圖5數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，由兩個(gè)傳感元件（15A DNA和30A DNA）構(gòu)成的二維傳感器對(duì)11種重金屬的鑒別能力較差，而傳感器的分辨能力與傳感元件的個(gè)數(shù)密切相關(guān)。因此，本研究增加另一條DNA鏈（45AT）作為傳感器第3個(gè)傳感元件。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，將11種濃度為1 μmol/L的金屬離子（Ag+、Pb2+、Zn2+、Cu2+、Cd2+、Mn2+、Ni2+、Co2+、Hg2+、Bi3+、Cr3+）分別依次加入3個(gè)體系（15A DNAAuNPs、30A DNAAuNPs和45AT DNAAuNPs）中反應(yīng)，測(cè)量吸收光譜，產(chǎn)生33個(gè)響應(yīng)信號(hào)，分別進(jìn)行4次平行實(shí)驗(yàn)，最終獲得132個(gè)響應(yīng)信號(hào)和132個(gè)K值。

以每個(gè)樣品平行實(shí)驗(yàn)4次測(cè)得響應(yīng)值K的平均值（K0）作圖，如圖6A所示，不同的分析目標(biāo)物的K值不同，即每種分析物都有對(duì)應(yīng)的特征響應(yīng)值。當(dāng)相同濃度的同一金屬離子加入到15A DNAAuNPs、30A DNAAuNPs和45AT DNAAuNPs體系中，15A DNAAuNPs 體系的響應(yīng)值K明顯大于其余兩個(gè)體系，30A DNAAuNPs 體系所獲得響應(yīng)值略大于45AT DNAAuNPs。K值越大，表明AuNPs聚集程度越大，DNA對(duì)AuNPs的保護(hù)作用越弱。此結(jié)果也說(shuō)明，DNA對(duì)AuNPs的保護(hù)作用與DNA鏈長(zhǎng)度有關(guān)。在一定程度上，DNA鏈越長(zhǎng)，對(duì)AuNPs的保護(hù)能力越強(qiáng)。其中，Zn2+在30A DNAAuNPs中的K值明顯小于在45AT DNAAuNPs中，說(shuō)明45AT DNA對(duì)AuNPs的保護(hù)作用弱于30A DNA。推測(cè)原因是45AT DNA中有22個(gè)A堿基，23個(gè)T堿基，Zn2+與T堿基的相互作用強(qiáng)于A堿基，因此相對(duì)于30A DNA，45AT DNA對(duì)AuNPs的保護(hù)作用減弱，導(dǎo)致其聚集程度加大。

將比色傳感器獲得的132個(gè)響應(yīng)K值數(shù)據(jù)通過(guò)PCA方法進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6B和6C所示。圖6B是前2個(gè)主成分PCA1和PCA2組成的二維空間圖，各個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)每個(gè)分析樣品的3個(gè)傳感元件（15A、30A、45AT）響應(yīng)值的二維數(shù)據(jù)坐標(biāo)位點(diǎn)。在PCA二維散點(diǎn)圖中，大多數(shù)樣本點(diǎn)集中圖的右側(cè)區(qū)域內(nèi)，少數(shù)樣本點(diǎn)分布于圖的左側(cè)區(qū)域，分辨能力相對(duì)于二維傳感器沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)，其聚類效果依然較差。

為此增加PCA散點(diǎn)圖的維度，減少信號(hào)響應(yīng)值在數(shù)據(jù)處理中信息缺失的可能，圖6C給出了前3個(gè)主成分PCA1、PCA2和PCA3組成的三維空間圖，圖中的各個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)為每個(gè)分析樣品的3個(gè)傳感器（15A、30A、45AT）響應(yīng)值經(jīng)過(guò)處理后的三維數(shù)據(jù)坐標(biāo)位點(diǎn)。增加一個(gè)主成分后，PCA對(duì)樣本點(diǎn)的聚類能力增加，同類樣本點(diǎn)的間距縮小，不同類的間距也隨之減小，不同類的樣本點(diǎn)堆積在一起，難以區(qū)分。

考慮到以K值為響應(yīng)信號(hào)，無(wú)法完全反映吸收光譜圖信息，部分特征信息缺失后導(dǎo)致類別判別存在誤差，因此，利用K值和吸收光譜組合進(jìn)行主成分分析，以3個(gè)主成分PCA1、PCA2和PCA3組成三維空間，得到的結(jié)果如圖6D所示，各點(diǎn)對(duì)應(yīng)每個(gè)分析樣品的3個(gè)傳感元件（15A、30A、45AT DNA）的響應(yīng)值（K值與吸收光譜）經(jīng)過(guò)降維后的三維數(shù)據(jù)坐標(biāo)位點(diǎn)。增加吸收光譜數(shù)據(jù)后，PCA對(duì)樣本點(diǎn)的聚類效果更佳，同類樣本點(diǎn)的間距縮小，可初步看到分類效果，但不同類樣本點(diǎn)依然交叉存在，未能真正實(shí)現(xiàn)11種重金屬鑒別區(qū)分。

綜上，在應(yīng)用二維和三維通道時(shí)，金屬離子對(duì)應(yīng)的響應(yīng)K值不同，裸眼即可分辨出某些溶液顏色的差別，這主要是因?yàn)榻饘匐x子和DNA之間的相互作用不同導(dǎo)致了AuNPs的不同狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致吸收光譜不同，為金屬離子鑒別的提供了可能。為了更明確地展現(xiàn)出11種金屬離子對(duì)體系產(chǎn)生的各自特異性變化，分別將88個(gè)和132個(gè)數(shù)據(jù)以PCA進(jìn)行處理，結(jié)果表明，即使增加一半的響應(yīng)K值數(shù)據(jù)，分析鑒別的效果并沒(méi)有明顯的提升。當(dāng)增加吸收光譜的數(shù)據(jù)時(shí)，吸收曲線提供了更加全面的信息，分析結(jié)果有所改善，但依然未完全區(qū)分開。因此，考慮PCA可能不適合于此類分析。

3.4.3LDA分析LDA是在輸入變量上構(gòu)造線性判別函數(shù)的特征選擇方法，即尋找一種變換，使得在某種意義下類間分離性最大，類內(nèi)相異性最小，是一種有監(jiān)督的維數(shù)約簡(jiǎn)方法。LDA 充分利用了訓(xùn)練樣本的類別信息，通過(guò)把原問(wèn)題轉(zhuǎn)化為關(guān)于樣本集總類內(nèi)散布矩陣和總類間散布矩陣的廣義特征值問(wèn)題進(jìn)行求解[22]。以實(shí)驗(yàn)獲得的132個(gè)響應(yīng)K值進(jìn)行LDA分析，結(jié)果如圖7A所示，其聚類效果仍沒(méi)有改進(jìn)。因此，利用實(shí)驗(yàn)獲得的132個(gè)響應(yīng)K值及其對(duì)應(yīng)吸收光譜組合進(jìn)行LDA分析，結(jié)果如圖 7B所示。由于LDA考慮到不同類間的差異，并將其擴(kuò)大化，所以區(qū)分效果比主成分分析更優(yōu)，11種重金屬離子在空間區(qū)域內(nèi)獲得很好的離散，同類別的樣本點(diǎn)幾乎重合為一個(gè)點(diǎn)，不同類別的樣本點(diǎn)之間完全

沒(méi)有重疊，容易被區(qū)分開。同時(shí)，也說(shuō)明所構(gòu)建的比色傳感器的對(duì)多種重金屬離子的檢測(cè)下限低于0.5 μmol/L。

4結(jié) 論

基于3條單鏈DNA對(duì)AuNPs的不同保護(hù)作用， 成功構(gòu)建了一種無(wú)標(biāo)記多維通道的陣列比色傳感器， 用于多種重金屬離子的鑒別。在高濃度鹽的存在下，不同的金屬離子可導(dǎo)致不同的DNA保護(hù)的AuNPs顯示出不同的聚集行為，并呈現(xiàn)各種顏色變化。優(yōu)化后的比色傳感器最佳的NaCl濃度為120 mmol/L。 以此顏色變化作為傳感器的響應(yīng)信號(hào)，利用兩種方法進(jìn)行鑒別。PCA對(duì)11種重金屬離子表現(xiàn)出有限區(qū)分能力; LDA可完全區(qū)分0.5 μmol/L的11種重金屬離子（Ag+、Pb2+、Zn2+、Cu2+、Cd2+、Mn2+、Ni2+、Co2+、Hg2+、 Bi3+和Cr3+）。

References

1GAO ChengYao， TONG JianHua， BIAN Chao， SUN JiZhou， LI Yang， WANG JinFen， GONG Shun， HUI Yun， XU YuHao， WANG XiaoQing， XIE HuCheng， XIA ShanHong. Chinese J. Anal. Chem.，2018， 46（2）： 217-224

高成耀， 佟建華， 邊 超， 孫楫舟， 李 洋， 王晉芬， 龔 順， 惠 允， 徐鈺豪， 王曉青， 謝虎成， 夏善紅. 分析化學(xué)，? 2018， 46（2）： 217-224

2Cheng S P.? Environ. Sci. Pollut. Res.，? ?2003， 10（3）： 192-198

3Sharma R K， Agrawal M. J. Environ. Biol.， ?2005， 26（2）： 301-313

4ZENG Kai， CHEN HuanWen， LUO MingBiao， ZHANG Hui， YU WenTing. Chinese J. Anal. Chem.， 2019， 47（3）： 429-438

曾 凱， 陳煥文， 羅明標(biāo)， 張 慧， 余文婷. 分析化學(xué)，? 2019， 47（3）： 429-438

5LI XiangHong， ZHENG GuoJun. Environment and Development， ?2016， 28 （1）： 122-124

李向宏， 鄭國(guó)璋. 環(huán)境與發(fā)展， ?2016， 28（1）： 122-124

6Zhu X， Yuan Y， Zhang Y， Li J P， Pan H C.? Electroanalysis，? 2018， 30： 1723-1733

7Li FangMin， Yue Ming， Shi ZhiCheng. National Heavy Metal Pollution Control Seminar， 2010： 15-19

李方民， 岳 明， 史志誠(chéng).全國(guó)重金屬污染治理研討會(huì)， ?2010： 15-19

8Guo X W， Guo X M. Anal. Chim. Acta， ?1995， 310（2）： 377-385

9Kamyabi M A， Aghaei A. Spectrochim. Acta B， ?2017， 128： 17-21

10Ashoka S， Peake B M， Bremner G， Hageman K J， Reid M R. Anal. Chim. Acta， ?2009， 653（2）： 191-199

11Li H， Bazan G C . Adv. Mater.，? ?2009， 21（9）： 964-967

12HUANG Xin， WANG Ni， ZHANG Na， YUE Hao， LIU ShuYing.Chinese J. Anal. Chem.，2019， 47（6）： 957-963

黃 鑫， 王 妮， 張 娜， 越 皓， 劉淑瑩. 分析化學(xué)，? 2019， 47（6）： 957-963

13Cao Y， Ding L， Wang S， Liu Y， Fan J， Hu W， Liu P， Fang Y. ACS Appl. Mater. Interfaces，2014， 6（1）： 49-56

14Wu Y， Tan Y， Wu J， Chen S， Chen Y， Chen Y， Zhou X， Jiang Y， Tan C.ACS Appl. Mater. Interfaces，? ?2015， 7（12）： 6882-6888

15Li D， Wieckowska A. Angew. Chem. Int. Edit.， ?2008， 47（21）： 3927-3931

16Lu Y， Kong H， Wen F， Zhang S， Zhang X. Chem. Commun.， ?2013， 49（1）： 81-83

17Rosi N L， Mirkin C A.Chem. Rev.， ?2005， 105（4）： 1547-1562

18Liu J， Lu Y. Nat. Protoc.， ?2006， 1（1）： 246-252

19Sun W， Lu Y， Mao J， Chang N， Yang J， Liu Y. Anal. Chem.， ?2015， 87（6）： 3354-3359

20Wei X， Wang Y， Zhao Y， Chen Z. Biosens. Bioelectron.， ?2017， 97： 332-337

21Tan L， Chen Z， Zhao Y， Wei X， Li Y， Zhang C， Wei X L， Hu X. Biosens. Bioelectron.， ?2016， 85： 414-421

22Kim H， Kim D， Bang S Y. Pattern Recogn.， ?2003， 36（5）： 1095-1105

23SUN LiPing， ZHANG JianFeng， LI Hui. Chem. J. Chinese U.， 2009， 30 （1）： 95-99

孫莉萍， 張建鋒， 李 輝. 高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào)， 2009， 30（1）： 95-99

24Barreto A， Luis L G， Girao A V， Trindade T， Soares A M V M， Oliveira M. J. Nanopart. Res.， ?2015， 17（12）： 493-506

25Rance G A， Khlobystov A N. Phys. Chem. Chem. Phys.， ?2010， 12（36）： 10775-10780