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金属离子铜(Ⅱ)、铅(Ⅱ)和镍(Ⅱ)存在时苋菜红与牛血清白蛋白作用的荧光光谱研究



全 文 :金属离子铜(Ⅱ)、铅(Ⅱ)和镍(Ⅱ)存在时
苋菜红与牛血清白蛋白作用的荧光光谱研究
李建晴,吕秀清,刘毓芳
(晋中学院,晋中030600)
摘 要:用荧光光谱法研究了在铜(Ⅱ)、铅(Ⅱ)及镍(Ⅱ)存在时对苋菜红(AT)与牛血清白蛋白
(BSA)结合反应的荧光光谱特性的影响。试验在pH 7.43的B-R缓冲溶液中进行,荧光测定的激
发波长(λex)为280nm和发射波长(λem)为350nm。试验发现:① 由于与AT的结合,使BSA的内
源性荧光发生猝灭现象,荧光的猝灭程序随 AT的浓度增加而加强;② 上述3种离子的加入,使
AT-BSA体系的荧光猝灭有不同程度的增强;③3种离子均能与AT竞争参与和BSA的结合,产
生以生成不发光基态配合物为主的静态荧光猝灭,加强了AT对BSA的猝灭作用,但并不改变其
反应的类型,在猝灭反应中同时有非辐射能量转移;④ 在3种离子中铅(Ⅱ)与BSA的结合能力更强。
关键词:荧光光谱法;苋菜红;牛血清白蛋白;铜(Ⅱ);铅(Ⅱ);镍(Ⅱ)
中图分类号:O657.31   文献标志码:A   文章编号:1001-4020(2014)12-1495-04
Fluorophotometric Study on the Interaction of Bovine Serum Albumin with
Amaranth in the Presence of Metal Ions of Cu(Ⅱ),Pb(Ⅱ)and Ni(Ⅱ)
LI Jian-qing,LXiu-qing,LIU Yu-fang
(Jinzhong College,Jingzhong030600,China)
Abstract:Fluorophotometric study on the interation of bovine serum albumin(BSA)with amaranth(AT)in
the presence of Cu(Ⅱ),Pb(Ⅱ)and Ni(Ⅱ)was made in a B-R buffer medium of pH 7.43withλexandλemat
280nm and 350nm respectively.It was found that:①due to binding with AT,quenching of intrinsic fluorescence
of BSA was observed,and magnitude of the fluorescence quenching increased with increase of concentration of AT;
②upon addition of each of the 3cations,fluorescence quenching of the reaction system of BSA-AT was enhanced at
various extents;③each of the 3cation take competition with AT to react with BSA to form mainly groud-state
coordination complex of non-emission fluorescence,attributing to static quenching process,which enhanced the
fluorescence quenching without changing the type of reaction.Non-radiative energy transfer happened to take place
simultaneously with the quenching reaction,and④binding force of Pb(Ⅱ)with BSA hehaved to be stronger than
the other 2cations.
Keywords:Fluorophotometry;Amaranth;Bovine serum albumin;Cu(Ⅱ);Pb(Ⅱ);Ni(Ⅱ)
收稿日期:2013-11-21
基金项目:国家自然科学基金资助(21175086);山西省高校科
 技研究开发项目资助(20111026);山西省高校“131”领军人才工程
 资助项目(No 689)
作者简介:李建晴(1963-),女,山西昔阳人,教授,硕士,主要
 从事分子光谱分析 。
* 联系人。E-mail:lijq1963@163.com
  苋菜红[1](AT)即食用色素红色2号,分子式为
C20H11N2Na3O10S3,可用于食品、药物及化妆品等
的着色,也作为酸碱指示剂。蛋白质是基因的表达
产物和生命活动的执行者。白蛋白是主要的血清蛋
白,可与许多内源、外源性化合物结合,是生命活动
重要的存放和运送蛋白。有关血清白蛋白与药物、
染料和金属离子在水溶液中的作用研究已有许多报
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道[2-5]。但有关苋菜红与牛血清白蛋白(BSA)的作
用研究尚未见报道。本工作采用荧光光谱法对AT
与BSA的作用,以及微量铜(Ⅱ)、铅(Ⅱ)和镍(Ⅱ)
存在时,与 AT-BSA结合的竟争作用进行了试验,
考察了铜(Ⅱ)、铅(Ⅱ)和镍(Ⅱ)等离子对 AT-BSA
作用的结合常数,结合位点等的影响。为色素研究、
重金属元素的中毒与解毒机理研究提供了一些试验
基础和一定的理论依据。
1 试验部分
1.1 仪器与试剂
CARY Eclipse型荧光分光光度计(自带恒温装
置);pHS-2ST型数显酸度计。
苋菜红标准储备溶液:1.0×10-3 mol·L-1。
BSA标准储备溶液:1.0×10-4 mol·L-1。
B-R缓冲溶液:在100mL的0.04mol·L-1硼
酸-磷酸-乙酸(1+1+1)混合液中,加入0.2mol·
L-1氢氧化钠溶液。
铜(Ⅱ)、镍(Ⅱ)、铅(Ⅱ)混合标准储备溶液:
1.0×10-2 mol·L-1,使用时用水稀释至所需浓度。
试验用水为亚沸二次蒸馏水,其余试剂均为分
析纯。
1.2 仪器工作条件
激发波长(λex)、发射波长(λem)分别为280,
350nm,激发和发射光谱通带宽度均为5nm。
1.3 试验方法
于10mL比色管中依次加入1.0×10-4 mol·
L-1 BSA标准储备溶液1.0mL,1.0×10-4 mol·
L-1铜(Ⅱ)、镍(Ⅱ)和铅(Ⅱ)混合标准储备溶液
1.0mL,不同量 AT储备溶液,pH 7.43的B-R缓
冲溶液2.0mL,以水定容后,放置30min,在λex为
280,λem为350nm处,用1cm比色皿,激发和发射
光谱通带宽度均为5nm,扫描荧光光谱。
2 结果与讨论
2.1 AT及在不同离子存在下对BSA的猝灭荧光
在pH 7.43的条件下,试验考察了AT与BSA
以及铜(Ⅱ)、镍(Ⅱ)、铅(Ⅱ)存在下AT与BSA的
相互结合作用。不同体系的荧光光谱见图1、图2。
结果表明:加入铜(Ⅱ)、镍(Ⅱ)、铅(Ⅱ),AT对
BSA内源性荧光的猝灭有所加强,BSA的峰形变化
不大,发射峰的位置没有显著移动。金属离子不同
程度地参与了AT和BSA的结合反应[6-7]。
曲线1~7所对应的AT浓度依次为0,2,4,6,8,10,
12(×10-6 mol·L-1);cBSA=1×10-5 mol·L-1
图1 AT浓度对BSA荧光猝灭程度的影响
Fig.1 Emission spectra showing fluorescence quenching of
BSA related to concentration of AT
(a) 1×10-5 mol·L-1铜(Ⅱ)
(b) 1×10-5 mol·L-1镍(Ⅱ)
(c) 1×10-5 mol·L-1铅(Ⅱ)
曲线1~7所对应的AT浓度依次为0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,
1.2(×10-5 mol·L-1);cBSA=1×10-5 mol·L-1
图2 不同离子存在下AT对BSA的荧光猝灭光谱
Fig.2 Fluorescence spectra of BSA-AT system in
presence of different ion
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2.2 AT与BSA的紫外吸收光谱及作用距离
根据 Fster偶极-偶极非辐射能量转移理
论[8],对于小分子与BSA结合的配合物,给体的荧
光发射与受体的吸收光谱(浓度1比1)有足够的重
叠,且给体与受体足够接近,最大距离不超过7nm
时将发生非辐射能量转移。试验考察了给体(BSA)
的荧光与受体(AT)的紫外吸收光谱,见图3。
图3 不同温度下的BSA荧光光谱(a)与AT吸收光谱(b)
Fig.3 Overlapping of fluorescence emission spectrum of BSA
with absorption spectrum of AT
给体和受体间能量转移效率(E)与距离(r)的
关系为E=1/[1+(r/R0)6](其中R0 是能量转
移 效 率E为50% 的 临 界 距 离 ),R06 =8.8×
10-25(K2 nr-4ΦDJ),K2 为给体受体各项随机分布
的取向因子(2/3),nr 为介质的折射指数(1.336),
ΦD为BSA的荧光量子产率(0.15),J表示给体的荧
光发射光谱与受体的吸收光谱间的光谱重叠积分,
J=∑F(λ)εA(λ)λ4Δλ/∑F(λ)Δλ。式中F(λ)为荧
光给体在波长λ处的荧光强度,εA(λ)为受体在波长
λ处的摩尔吸光率,能量转移效率E=1-F/F0,其
中F0 和F 分别为加入受体前后给体的荧光发射
强度。
依据试验所得数据代入相应的式子,利用计算
机计算求得光谱的重叠积分J=8.304 8×10-15,
R0=2.47nm,能量转移效率E=0.576,AT与BSA
色氨酸残基作用距离为2.35nm。
2.3 AT-BSA及AT-BSA-Mn+的结合常数和结合位
点数
试验考察了18℃,29℃,40℃等3个温度条件
下 AT-BSA 及 AT-BSA-Mn+ 的相互作用。根据
Stern-Volmer 碰 撞 猝 灭 理 论[8-9]:F0/F =1+
KSV[Q]=1+kqτ0[Q](其中F0 和F分别是加入猝
灭剂前后体系的荧光强度,[Q]为猝灭剂的浓度)。
绘制AT-BSA及 AT-BSA-Mn+荧光猝灭的Stern-
Volmer曲线,分别求得其体系的猝灭常数KSV。由
分子荧光的平均寿命(τ0)=1×10-8,KSV=kqτ0,据
此可计算各体系猝灭过程的速率常数kq[10]。根据
lg[(F0-F)/F]=lgKA+nlg[Q][11],可求得不同温
度下AT-BSA及AT-BSA-Mn+的结合常数(KA)和
结合位点数(n),结果见表1。
表1 AT-BSA及AT-BSA-Mn+的结合常数、
结合位点数、猝灭常数和速率常数
Tab.1 Binding constants,binding sites,quenching constants
and speed constant of AT-BSA and AT-BSA-Mn+
反应体系 t/℃
KA
/(×106L·
mol-1)

KSV
/(×105L·
mol-1)
kq
/(×1013L·
mol-1·s-1)
AT-BSA-铜(Ⅱ) 18  5.65  1.3  1.822  1.82
29  2.65  1.3  1.557  1.56
40  0.61  1.2  1.216  1.22
AT-BSA-镍(Ⅱ) 18  11.0  1.4  1.816  1.81
29  2.79  1.3  1.664  1.66
40  0.69  1.2  1.213  1.21
AT-BSA-铅(Ⅱ) 18  2.08  1.2  1.704  1.70
29  1.42  1.2  1.514  1.51
40  0.39  1.1  1.142  1.14
AT-BSA  18  34.6  1.5  1.721  1.72
29  5.91  1.3  1.475  1.47
40  2.14  1.3  1.076  1.07
由表1可知:不管金属离子是否存在,AT-BSA
结合作用的Stern-Volmer猝灭曲线的斜率及猝灭
常数KSV随着温度升高而减小,其速率常数kq 大于
探针与荧光体作用的最大扩散常数(kq=2.0×
1010L·mol-1·S-1)[9]。金属离子铜(Ⅱ)、镍(Ⅱ)
或铅(Ⅱ)的加入,对 AT与BSA结合致使BSA内
源体荧光猝灭的类型没有影响,仍然是以生成不发
光基态配合物为主的静态猝灭[10-11],同时有非辐射
的能量转移,其猝灭常数 KSV由小到大的顺序为
AT、AT-铅(Ⅱ)、AT-镍(Ⅱ)、AT-铜(Ⅱ)。金属离
子的存在,加强了AT对BSA荧光的猝灭作用。
另外,由表1还可知:在18℃,29℃,40℃温度
下,铜(Ⅱ)、镍(Ⅱ)或铅(Ⅱ)的存在,均使得 AT-
BSA的结合常数KA 减小,其中铅(Ⅱ)存在时KA
减小的程度更大一些。说明3种金属离子与BSA
都有较强的结合能力,与 AT 发生了竞争,其中
铅(Ⅱ)结合蛋白质的能力比其它两种离子更强一
些,结果使AT与BSA的结合能力变弱,结合常数
KA 减小。由于许多金属离子都有与BSA结合的倾
向,各种金属离子与BSA的结合部位不同,结合力
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李建晴等:金属离子铜(Ⅱ)、铅(Ⅱ)和镍(Ⅱ)存在时苋菜红与牛血清白蛋白作用的荧光光谱研究
也有差别,故金属离子的存在会影响AT与BSA的
结合能力,即影响色素与血清白蛋白的结合常数。
如果金属离子的存在使色素与白蛋白的结合能力增
强,则会使色素更好地被存储、运载,这样色素在血
浆中保留时间将延长,可以达到缓释的目的,减小色
素的毒性。同时,通过研究金属离子存在下染料与
蛋白的结合,也有助于理解金属离子的生理学意义,
或金属离子的中毒与解毒作用。
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