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花旗松素与牛血清白蛋白相互作用的光谱和电化学



全 文 :花旗松素与牛血清白蛋白相互作用的光谱和电化学
陈彩莲 朱庆仁* 孙登明*
(淮北师范大学化学与材料科学学院 淮北 235000)
摘 要 采用紫外光谱法、荧光光谱法和循环伏安法,研究了牛血清白蛋白(BSA)与花旗松素(taxifolin)的相
互作用。用荧光法和循环伏安法测得花旗松素与 BSA的结合常数 K分别为 1. 3 × 106和 1. 6 × 106 L /mol,结合
位点数均接近 1. 3。花旗松素对牛血清白蛋白是静态猝灭。BSA 荧光强度的降低与花旗松素浓度在一定范
围内呈线性关系,其线性范围为 6. 00 × 10 -7 ~ 2. 00 × 10 -5 mol /L,检出限为 2. 00 × 10 -7 mol /L。花旗松素氧化
峰电流的下降与 BSA浓度在一定范围内呈线性关系,其线性范围为 7. 00 × 10 -7 ~ 1. 00 × 10 -4 mol /L,检出限
为 3. 00 × 10 -7 mol /L。用于合成样品中花旗松素和 BSA的测定,结果满意。
关键词 花旗松素,牛血清白蛋白,相互作用,荧光光谱,电化学
中图分类号:O657 文献标识码:A 文章编号:1000-0518(2014)05-0617-07
DOI:10. 3724 /SP. J. 1095. 2014. 30342
2013-07-09 收稿,2013-09-23 修回,2013-12-10 接受
安徽省高校省级自然科学基金重点项目(KJ2011A255)
通讯联系人:朱庆仁,教授;Tel:0561-3803429;E-mail:zhuqingren@ ahedu. gov. cn;研究方向:光学分析
共同通讯联系人:孙登明,教授;Tel:0561-3803232;E-mail:sundengming@ 126. com;研究方向:电化学分析
蛋白质是生物体内具有重要生理功能的大分子,是药物发挥药效的重要载体和靶分子,它能与进入
体内的药物小分子迅速、可逆的结合,很快达到动态平衡,从而发挥药物的生物学作用,因此研究具有药
理活性的小分子与蛋白质相互作用,对于了解药物发挥药效的作用机制,揭示药物药效的实质内涵具有
重要的意义,同时是药物动力学及临床药理学的重要内容。目前,药物小分子和牛血清白蛋白(BSA)的
相互作用的研究已有报道[1-7]。但目前的研究大多为荧光或电化学研究,而用 2 种方法同时研究小分子
与蛋白质的作用机制还未见报道。花旗松素(taxifolin)又名黄杉素,毒叶素,双氢槲皮素,是生物类黄
酮。花旗松素具有许多重要的生物学活性,能够抑制和激活多种酶,具有保护心脑血管、肝脏、视力的功
能、抗糖尿病、抗氧化、抗癌、抗炎和抗辐射的功效[8-9],工业上也用做食品添加剂。本文用光谱法和电化
学方法研究了花旗松素与牛血清白蛋白的相互作用,测定了结合常数、结合位点数,且 2 种方法研究二
者之间的相互作用,结果基本一致。同时花旗松素与蛋白质的作用具有定量关系,本文研究了测定的最
佳条件,利用荧光法和电化学方法对花旗松素和 BSA进行了测定,获得了满意的结果。
1 实验部分
1. 1 仪器和试剂
UV-3600 型紫外可见近红外分光光度计(日本岛津公司) ;FP-8300 型荧光光谱仪(日本岛津公司) ;
BAS100 /W型电化学分析系统(美国 BAS 公司) ;PHS-3C 型精密酸度计(上海康仪仪器有限公司)。电
化学实验用三电极体系:玻碳工作电极(GCE) ,Ag /AgCl参比电极,铂丝辅助电极。
BSA(国药集团化学试剂有限公司)储备液:2. 00 × 10 -4 mol /L,按常规配制,在 4 ℃左右保存,使用
时再稀释至所需浓度;花旗松素储备液:8. 00 × 10 -4 mol /L,使用时再稀释至所需浓度;磷酸盐缓冲溶液
(PBS) ;其它试剂均为分析纯,水为二次石英亚沸蒸馏水。
1. 2 实验方法
1. 2. 1 荧光光谱法 在 10 mL比色管中依次加入 2. 0 mL pH = 3. 0 的 PBS,浓度为 2. 00 × 10 -4 mol /L
BSA溶液 1. 0 mL,再加入不同浓度的花旗松素溶液,以水定容,摇匀,静置 30 min。在 298 K 条件下,在
荧光光度计上记录 280 ~ 500 nm 波长范围内的荧光发射光谱(λex = 278 nm,λem = 342 nm,激发和发射
狭缝宽度均为 2. 5 nm)。
第 31 卷 第 5 期 应 用 化 学 Vol. 31 Iss. 5
2014 年 5 月 CHINESE JOURNAL OF APPLIED CHEMISTRY May 2014
1. 2. 2 吸收光谱法 在一系列 10 mL的比色管中,加入 2. 0 mL pH =3. 0 的 PBS,分别加入一定体积的
花旗松素或一定体积的 BSA 或花旗松素与 BSA 的混合物,定容,混匀,静置 30 min,以水作参比,在
298 K条件下,测定波长 200 ~ 500 nm的吸收光谱。
1. 2. 3 电化学法 在 10 mL比色管中,加入 2. 0 mL pH =3. 0 的 PBS,加入浓度为 8. 00 × 10 -4 mol /L花
旗松素溶液 2. 0 mL,加入不同浓度的 BSA溶液,以水定容,摇匀,静置 30 min。在 298 K条件下,测量花
旗松素溶液、花旗松素和 BSA混合溶液的线性扫描伏安图。
2 结果与讨论
2. 1 BSA与花旗松素相互作用的光谱和电化学图谱
蛋白质中含有色氨酸和酪氨酸等残基而发射较强的内源荧光。BSA和花旗松素相互作用的荧光光
谱图(图 1)可看出,BSA在 278 nm处有荧光最大发射峰,当固定 BSA 浓度不变时,随花旗松素浓度增
加,BSA的内源荧光强度逐渐降低,表明花旗松素能猝灭 BSA的内源荧光,二者之间发生了相互作用。
图 1 花旗松素和 BSA相互作用的荧光猝灭光谱
Fig. 1 Fluorescence quenching of BSA in the presence
of taxifolin
c(BSA)= 2. 00 × 10 -5 mol /L,c(taxifolin)/(mol·L -1)
(a ~ j) :0,1. 00 × 10 -5,1. 50 × 10 -5,2. 00 × 10 -5,2. 50 ×
10 -5,3. 00 × 10 -5,3. 50 × 10 -5,4. 00 × 10 -5,4. 50 ×
10 -5,5. 00 × 10 -5;pH = 3. 0;T = 298 K
图 2 花旗松素(a)和花旗松素-BSA(b)的线性扫
描伏安图
Fig. 2 Linear sweep voltammograms of taxifolin(a)
and taxifolin-BSA(b)
a. c(taxifolin)= 1. 60 × 10 -4 mol /L;b. c(BSA)= 7. 00 ×
10 -6 mol /L + c(taxifolin)= 1. 60 × 10 -4 mol /L;time = 8 s,
v = 0. 16 V /s,pH = 3. 0,T = 298 K
图 3 花旗松素和 BSA(a)、BSA(b)和花旗松素(c)
的紫外光谱图
Fig. 3 The UV spectra of taxifolin-BSA(a) ,BSA(b)
and taxifolin(c)
c(taxifolin)= c(BSA)=2. 00 ×10 -5 mol /L,pH =3. 0,T =298 K
花旗松素和花旗松素-BSA 体系的线性扫描伏
安曲线(图 2) ,在 pH = 3. 0 的 PBS 中,- 0. 2 ~
1. 0 V扫描范围内,花旗松素在玻碳电极上产生一个
灵敏的氧化峰,加入 BSA后花旗松素的峰电流明显
降低,峰电位向右移动,表明二者之间发生了相互作
用[6]。
紫外光谱法是检测复合物形成与否的一种有效
的方法。为了确证花旗松素与 BSA 之间发生了作
用,测定了花旗松素和 BSA及混合体系的吸收光谱
(图 3)。由图 3 可见,在 pH =3. 0 的条件下,花旗松
素的吸收峰在 288 nm 处,BSA 的吸收峰在 278 nm
处,二者混合后吸收峰出现在 278 nm 处,吸光度不
呈加和性,说明花旗松素与 BSA 发生了相互作用,
生成新的复合物[7],同时也验证了上述荧光和电化
学谱图现象。
816 应 用 化 学 第 31 卷
2. 2 花旗松素与 BSA相互作用的光化学和电化学机理
2. 2. 1 荧光猝灭机理 荧光猝灭过程分为静态猝灭和动态猝灭[8]。静态猝灭是猝灭剂和荧光物质的
基态分子之间的相互作用;动态猝灭是猝灭剂和荧光物质的激发态分子之间的相互作用,其猝灭过程遵
循 Stern-Volmer方程:
F0 /F = 1 + Kqτ0[Q] = 1 + Ksv[Q] (1)
式中,F0为未加入猝灭剂时的荧光强度,F为加入猝灭剂后的荧光强度,Kq为双分子猝灭过程速率常数,
Ksv为 Stern-Volmer动态猝灭常数。而[Q]则为猝灭剂的浓度,τ0为猝灭剂不存在的条件下生物大分子的
平均寿命,通常生物大分子的荧光寿命约为 10 -8 s。
图 4 花旗松素对牛白蛋白荧光淬灭 Stern-Volmer
方程曲线
Fig. 4 The Stern-Volmer plots of BSA with taxifolin
c(BSA)= 2. 00 × 10 -5 mol /L,pH = 3. 0,T = 298 K
由图 4 可以看出,花旗松素与 BSA 相互作用的
Stern-Volmer方程曲线是一条直线,其线性回归方程
为:F0 /F = 1 + 3. 61 × 10
12[Q],R = 0. 9934。
方程对应的斜率为 Stern-Volmer 方程曲线的猝
灭常数 Ksv,即 Ksv = 3. 61 × 10
4 L /mol。由 Ksv = Kqτ0
可求得猝灭过程速率常数 Kq =3. 61 ×10
12 L /(mol·s),
可知 Kq值远远大于各类淬灭剂对生物大分子的最
大扩散常数 2. 00 × 1010 L /(mol·s) ,因此花旗松素
对牛白蛋白的荧光淬灭以静态猝灭为主。
因为花旗松素对 BSA是静态猝灭过程,所以可
用对数方程来计算二者的结合常数 K 和结合位点
数 n[9]:
lg [(F0 - F)/F] = lg K + nlg[Q] (2)
式中,F0和 F分别为不存在和存在猝灭剂时的荧光
强度,K为蛋白质和猝灭剂的结合常数,n为结合位点数,[Q]为猝灭剂的浓度(mol /L)。
以 lg [(F0 - F)/F]对 lg[Q]作图,结果见图 5,为一直线,其线性方程为:lg [(F0 - F)/F]= 6. 1 +
1. 3lg[Q];R = 0. 9980;则 K = 1. 3 × 106 L /mol,n = 1. 3。
图 5 lg [(F0 - F)/F]~ lg[Q]的线性关系图
Fig. 5 The linear diagram of lg [(F0 - F)/F]and lg[Q]
c(BSA)= 2. 00 × 10 -5 mol /L,pH = 3. 0,T = 298 K
图 6 花旗松素的紫外吸收光谱(a)与 BSA荧光猝灭
光谱(b)重叠图
Fig. 6 The overlap of the UV absorption spectrum of
taxifolin(a)with the fluorescence emission spectrum of
BSA(b)
c(taxifolin)= c(BSA)=2. 0 ×10 -5 mol /L,T =298 K,pH =3. 0
根据 Frster偶极-偶极非辐射能量转移理论[10],当化合物满足以下条件时,将发生非辐射能量转
移:供能体发射荧光;供能体的荧光发射与受能体的吸收光谱有足够的重叠;供能体与受能体足够接近,
最大距离不超过 8 nm。图 6 为花旗松素与 BSA物质的量为 1∶1 时,BSA的荧光光谱和花旗松素的紫外-
916第 5 期 陈彩莲等:花旗松素与牛血清白蛋白相互作用的光谱和电化学
可见吸收光谱图,发现两光谱之间有一定的重叠。
能量转移效率(E)、给体和受体间的距离 r、临界能量转移距离 R0可用下式计算
[11-12]:
E = 1 - FF0
=
R60
R60 + R
6 (3)
R60 = 8. 8 × 10
-25K2N4ΦJ (4)
式中,R0为能量转移效率为 50%时的临界距离,K
2为偶极空间取向因子,N 为介质的折射指数,Φ 为给
体的荧光量子产率,J为给体的荧光发射光谱与受体的吸收光谱间的重叠积分;J可据下式计算得出。
J = ∫

0
F(λ)ε(λ)λ4dλ /∫

0
F(λ)dλ (5)
式中,F(λ)为荧光给体在波长 λ时的荧光强度,ε(λ)为受体在波长 λ时的摩尔吸光系数。BSA的内源
荧光主要由氨基酸残基产生,在实验条件下,K2 = 2 /3,N = 1. 336,Φ = 0. 118[13]。将图 6 中 BSA 的荧光
光谱图和花旗松素的紫外吸收光谱图重叠部分(阴影部分)分割成极小的矩形面积按上式求和,得光谱
的重叠积分 J = 8. 52 × 10 -16 cm3·L /mol,依次可求得 R0 = 1. 63 nm,E = 0. 25,r = 1. 95 nm。从计算结果可
以看出,花旗松素在 BSA上的结合位点与蛋白质分子中的氨基酸残基的距离为 1. 95 nm,小于 8 nm,说
明 BSA与花旗松素作用过程中发生了非辐射能量转移。
2. 2. 2 电化学机理 采用 CV法,扫描速率控制在 160 mV /s,改变底液的酸度进行测定。结果见图 7
和图 8,图中结果表明,pH值在 2. 0 ~ 8. 0 范围内,随着 pH值的增加,花旗松素与花旗松素-BSA体系中
氧化峰和还原峰电位均逐渐负移,峰电位与 pH 呈良好的线性关系,花旗松素:Epa(V)= 0. 6964 -
0. 05011pH,R = 0. 9970,Epc(V)= 0. 5248 - 0. 05421pH,R = 0. 9980,斜率分别为 50. 11 和 54. 21 mV /pH,
接近59 mV /pH,说明花旗松素在电极上发生了等电子等质子反应,氧化还原峰为花旗松素分子苯环上
的邻羟基氧化所致;花旗松素-BSA:Epa(V)= 0. 6635 - 0. 04579pH,R = 0. 9906,Epc(V)= 0. 4856 -
0. 04846pH,R = 0. 9913,斜率分别为 45. 79 和 48. 46 mV /pH,比花旗松素的斜率减小,说明与蛋白质结
合后,花旗松素的表观得失电子数降低,电流减小。随着 pH 值的增大,峰型逐渐变宽,pH 值为 2. 0 时,
花旗松素的峰值最大,但花旗松素和花旗松素-BSA的峰差值较小,当 pH≤2 时,花旗松素和花旗松素-
BSA的循环伏安曲线几乎重叠,说明在强酸性条件下,二者之间反应不明显。当 pH值为 3. 0 时,峰差值
最大,峰型也较好,故选择 pH值为 3. 0 的 PBS为最佳的测量底液。
图 7 花旗松素在玻碳电极上随 pH值的变化的 CV曲线(A)和峰电位与酸度的关系曲线(B)
Fig. 7 Cyclic voltammograms of taxifolin at glassy carbon electrode in different pH values(A)and the relationship
curves between the peak potential and pH(B)
pH(from a to g) :2. 0,3. 0,4. 0,5. 0,6. 0,7. 0,8. 0;scan rate:160 mV /s;c(taxifolin)= 4. 10 × 10 -5 mol /L,time = 8 s
改变扫描速率进行测定,结果表明,在 20 ~ 600 mV /s范围内,随着扫描速率的增加,花旗松素的 Epa
正移,Epc负移,花旗松素的氧化峰和还原峰电流的对数与扫描速率的对数成线性关系,其线性关系分别
为:lg Ipa = 1. 269 + 0. 527lg v,R = 0. 9980;lg Ipc = 1. 350 + 0. 598lg v,R = 0. 9974,说明花旗松素在裸玻碳
电极表面的反应是吸附和扩散的混合控制,以扩散控制为主[14]。在花旗松素溶液中加入 BSA 后,峰电
026 应 用 化 学 第 31 卷
图 8 花旗松素-BSA随 pH值的变化的 CV曲线(A)和峰电位与酸度的关系曲线(B)
Fig. 8 Cyclic voltammograms of taxifolin-BSA at glassy carbon electrode in different pH values(A)and the
relationship curves between the peak potential and pH(B)
pH(from a to g) :2. 0,3. 0,4. 0,5. 0,6. 0,7. 0,8. 0;scan rate:160 mV /s;c(taxifolin)= 4. 10 × 10 -5 mol /L,c(BSA)=
2. 00 × 10 -5 mol /L,time = 8 s
流降低,但花旗松素-BSA 的 lg Ip ~ lg v也呈线性关系,其线性回归方程为:lg Ipa = 1. 009 + 0. 633lg v,
R = 0. 9954;lg Ipc = 1. 256 + 0. 731lg v,R = 0. 9973,但斜率有所增大,说明随着 BSA 浓度的增加,花旗松
素的电极反应表面过程逐渐由扩散控制为主,转为以吸附控制为主。
图 9 lg[ΔI /(ΔImax - ΔI) ]和 lg[Q]的线性关系图
Fig. 9 The linear diagram of lg[ΔI /(ΔImax - ΔI) ]
and lg[Q]
c(BSA)= 5. 00 × 10 -5 mol /L,pH = 3. 0,T = 298 K
假定花旗松素与 BSA 只形成一种简单的化合
物 BSA-m taxifolin,则结合常数(K)和结合数(n)可
根据下式[15]求得:
lg[ΔI /(ΔImax - ΔI) ]= lg K + nlg[Q](6)
式中,ΔImax表示加入 BSA 前后 taxifolin 峰电流的最
大差值。作 lg [ΔI /(ΔImax - ΔI) ]~ lg [Q]的关系
图。结果如图 9 所示,其线性方程为:
lg[ΔI /(ΔImax -ΔI) ]=6. 2 +1. 3lg[Q],R =0. 9908
求得结合位点数 n = 1. 3,结合常数 K =
1. 6 × 106 L /mol。与荧光法基本一致。
2. 3 花旗松素和 BSA的测定
2. 3. 1 测定的最佳条件 实验结果表明,荧光法测
定花旗松素的最佳条件为:PBS 控制溶液的酸度为
pH =7. 4,用量为 1. 0 mL;激发波长:278 nm,发射波
长:342 nm,放置时间 30 min。
线性扫描伏安法测定 BSA的最佳条件:PBS控制溶液的酸度 pH =3. 0,用量 2. 0 mL,扫描电位范围
- 0. 2 ~ 1. 0 V,扫描速率 0. 16 V /s,静置时间 30 min。
在最佳条件下,分别用荧光法(固定 BSA 浓度为 2. 00 × 10 -5 mol /L)对花旗松素、线性扫描伏安法
(固定花旗松素浓度为 1. 60 × 10 -4 mol /L)对 BSA 进行了测定,测定结果的线性范围、检测限结果见
表 1。
表 1 工作曲线
Table 1 Working curves(n =5)
Analyte Linear range /(mol·L -1) Regression equation Correlation coefficient Detection limit /(mol·L -1)
Taxifolin 6. 00 × 10 -7 ~ 2. 00 × 10 -5 ΔF = 3. 51 + 6. 66 × 106 c 0. 995 2 2. 00 × 10 -7
BSA 7. 00 × 10 -7 ~ 1. 00 × 10 -5 ΔIp = 0. 96 + 1. 25 × 105 c 0. 991 2 3. 00 × 10 -7
1. 00 × 10 -5 ~ 1. 00 × 10 -4 ΔIp = 1. 96 + 1. 60 × 104 c 0. 998 1
126第 5 期 陈彩莲等:花旗松素与牛血清白蛋白相互作用的光谱和电化学
2. 3. 2 干扰离子 荧光法实验测定金属离子对花旗松素与牛血清白蛋白的结合的影响,允许误差在
± 5%以内,共存物质允许量(mg) :K +、Na +、Mg2 +、Ba2 +、Co2 +、葡萄糖(≥1. 0 mg,未做最高限) ;L-半胱
氨酸、Ca2 +(0. 5 mg) ;Mn2 +(0. 3 mg) ;Al3 +(0. 2 mg) ;抗坏血酸、Cu2 +、Pb2 +、Fe3 +、Zn2 +(0. 1 mg)。采用
循环伏安法测定其它离子对花旗松素与牛血清白蛋白的结合的影响,共存物质的允许量(mg) :Na +、
K +、Mg2 +、Al3 +、Ca2 +、Mn2 +、Ba2 +、Co2 +、葡萄糖(≥1. 0 mg,未做最高限) ;Fe3 +(0. 5) ;Pb2 +(0. 4) ;半胱
氨酸、抗坏血酸、Cu2 +(0. 1)。
2. 3. 3 样品分析 配制了不同浓度的合成样品并对样品进行分析,结果见表 2。
表 2 花旗松素和 BSA合成样品分析
Table 2 Analytical results of synthetic sample of taxifolin and BSA(n =5)
Sample Analyte 106 Found /(mol·L -1) RSD /% 106Added /(mol·L -1) Recovery /%
Synthetic sample taxifolin 8. 99 2. 9 9. 0 99. 9
BSA 5. 04 3. 1 5. 0 100. 8
3 结 论
花旗松素与 BSA之间有较强的结合作用,通过静态猝灭导致 BSA 内源荧光减弱,同时运用电化学
方法,BSA的加入导致花旗松素氧化峰电流降低,峰电位基本不变,峰电流的下降值同所加入的 BSA浓
度在一定范围内呈线性关系及研究了其结合常数、结合位点数和线性范围等。该研究对于阐明花旗松
素在体内的运输过程和药用机理及设计合成新药具有一定的指导意义。
参 考 文 献
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Studies on the Interaction of Taxifolin and Bovine Serum
Albumin by Spectroscopic and Voltammetric Methods
CHEN Cailian,ZHU Qingren* ,SUN Dengming*
(School of Chemistry and Materials Science,Huaibei Normal University,Huaibei 235000,China)
Abstract The interaction between taxifolin and bovine serum albumin(BSA)was investigated using UV,
fluorescence and cyclic voltammetry. The binding constants of 1. 3 × 106 L /mol and 1. 6 × 106 L /mol can be
calculated from the data obtained from fluorescence quenching experiments and cyclic voltammetry,respectively.
And the number of the binding sites is nearly 1. 3. The interaction of bovine serum albumin with taxifolin is a
single static quenching procedure. The fluorescence intensity changes of BSA correlate linearly with the
concentrations of taxifolin,and the linear range is 6. 00 × 10 -7 ~ 2. 00 × 10 -5 mol /L with a limit of detection
at 2. 0 × 10 -7 mol /L. The redox peak current of taxifolin is proportional to the concentration of BSA. The
linear range is 7. 00 × 10 -7 ~ 1. 00 × 10 -4 mol /L with a limit of detection at 3. 0 × 10 -7 mol /L. This method
has been applied to the determination of BSA and taxifolin with satisfactory results.
Keywords taxifolin,bovine serum albumin,interaction,fluorescence spectroscopy,electrochemistry
Reveived 2013-07-09;Revised 2013-09-23;Accepted 2013-12-20
Supported by the Natural Science Foundation of Anhui Province Ministry of Education(No. KJ2011A255)
Corresponding author:ZHU Qingren,professor;Tel:0561-3803429;E-mail:zhuqingren@ ahedu. gov. cn;Research interests:optical analysis
Co-corresponding author:SUN Dengming, professor; Tel:0561-3803232; E-mail:sundengming@ 126. com; Research interests:
electrochemical analysis
326第 5 期 陈彩莲等:花旗松素与牛血清白蛋白相互作用的光谱和电化学