紫外-可見吸收光譜法研究陰離子對剛果紅/β-葡聚糖絡(luò)合物的影響

吳小燕，趙 蘭，李琳琳，李 健，王漢源，吳 佳

福州大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350116

紫外-可見吸收光譜法研究陰離子對剛果紅/β-葡聚糖絡(luò)合物的影響

吳小燕，趙 蘭，李琳琳，李 健，王漢源，吳 佳*

福州大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350116

利用紫外-可見吸收光譜法探究了陰離子的濃度及種類對剛果紅在溶液中形成聚集體的影響，在此基礎(chǔ)之上，進一步研究了陰離子濃度和種類對剛果紅與燕麥β-葡聚糖所形成絡(luò)合物的影響規(guī)律。結(jié)果表明： 隨著陰離子濃度的增大，剛果紅溶液的峰值吸光度呈逐漸下降趨勢，且最大吸收波長發(fā)生藍移。剛果紅最大吸收波長、峰值吸光度和499 nm處吸光度與陰離子濃度的對數(shù)值之間具有明顯的線性相關(guān)性。陰離子對剛果紅聚集的影響符合Hofmeister序列的順序，說明疏水相互作用是剛果紅分子聚集成膠束的重要驅(qū)動力。對于剛果紅/β-葡聚糖絡(luò)合物體系來說，當(dāng)陰離子濃度超過第一臨界濃度時，剛果紅膠束開始形成并結(jié)合在β-葡聚糖上形成絡(luò)合物，差譜圖在556 nm處產(chǎn)生了絡(luò)合物的吸收峰；當(dāng)陰離子濃度超過第二臨界濃度時，剛果紅/β-葡聚糖絡(luò)合物進一步通過剛果紅膠束之間的聚集形成超分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致差譜圖吸收峰紅移至583 nm處，并因為更大尺寸超分子結(jié)構(gòu)的形成而在光譜圖長波方向出現(xiàn)明顯的米氏散射效應(yīng)。陰離子對上述超分子結(jié)構(gòu)的影響也符合Hofmeister序列的順序，說明剛果紅/β-葡聚糖絡(luò)合物主要通過剛果紅膠束之間的疏水相互作用聚集成超分子結(jié)構(gòu)。本研究提示，離子對剛果紅分子本身在溶液中的聚集狀態(tài)及其與生物大分子的相互作用具有重要的影響。

紫外可見吸收光譜法；陰離子；剛果紅；燕麥β-葡聚糖；聚集

引 言

偶氮染料剛果紅可與纖維素類物質(zhì)緊密結(jié)合，早期曾廣泛應(yīng)用于織物的染色[1-2]。剛果紅也被廣泛用于生物染色，國內(nèi)外已有大量學(xué)者通過剛果紅染色法研究淀粉樣蛋白的結(jié)構(gòu)和特性[3-5]。某些小分子物質(zhì)可以與剛果紅發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，已應(yīng)用于測定銅、硝酸根及貴金屬的分離富集[6-8]。剛果紅與某些分子結(jié)合導(dǎo)致復(fù)合物的形成和散射光強度的增大，據(jù)此也可以應(yīng)用于特定分子的濃度測定[9]。

剛果紅分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。有文獻報道剛果紅水溶液在較低濃度即可聚集形成膠束[10]。剛果紅膠束的結(jié)構(gòu)不僅與其分子排列有關(guān)，還受到溫度、離子強度的影響[11]。

燕麥β-葡聚糖是一種水溶性線型多糖，具有調(diào)節(jié)血糖、降低膽固醇、提高免疫力等生理功能。Wood等[12]最早提出利用剛果紅與燕麥β-葡聚糖結(jié)合后溶液吸光度增大的現(xiàn)象可以定量測定燕麥β-葡聚糖，該方法簡便易行，得到了較為廣泛的應(yīng)用[13]。本研究在應(yīng)用剛果紅法測定燕麥β-葡聚糖時發(fā)現(xiàn)，緩沖液的濃度對兩者的結(jié)合有顯著影響。在此發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)之上，重點研究了陰離子種類及濃度對剛果紅溶液本身以及剛果紅/燕麥β-葡聚糖絡(luò)合物紫外-可見吸收光譜的影響規(guī)律。

圖1 剛果紅的分子結(jié)構(gòu)示意圖

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

紫外-可見吸收光譜用Cary 50 Bio光譜儀測定，使用光徑為1 cm的石英比色皿。燕麥β-葡聚糖為本實驗室從燕麥中提取，純度>90%；剛果紅購于日本TCI公司，純度>98%；其他試劑均為分析純。

1.2 方法

1.2.1 陰離子對剛果紅的影響

分別移取2 mL不同濃度的各鹽溶液于試管中，加入22.5 μg·mL-1的剛果紅水溶液4 mL。立即渦旋振蕩10 s，反應(yīng)30 min后進行紫外-可見光掃描。以不加鹽的剛果紅溶液為空白對照，每個試驗均做3個平行。

1.2.2 陰離子對剛果紅/β-葡聚糖絡(luò)合物的影響

分別在試管中加入0.48 mL的β-葡聚糖溶液和1.52 mL的不同濃度的鹽溶液，再加入4 mL剛果紅溶液，立即振蕩10 s，靜置30 min后進行紫外-可見光掃描。以不加β-葡聚糖和鹽的剛果紅溶液為空白組，每個試驗均做3個平行。

2 結(jié)果與討論

選取了Na2SO4，NaCl和NaSCN三種鈉鹽，其中的陰離子分別處于Hofmeister序列的前、中和后位置。在序列中靠前的離子會增加溶劑的表面張力，降低非極性基團的溶解度，實質(zhì)上是增強了疏水相互作用。相反的，在序列中靠后的離子減弱了疏水相互作用。Hofmeister序列的影響不僅僅限于蛋白質(zhì)，還表現(xiàn)在對其他分子，例如多糖等大分子和染料等小分子的影響，且影響規(guī)律通常符合Hofmeister序列的順序。

2.1 陰離子對剛果紅溶液的影響

2.1.1 陰離子對剛果紅紫外-可見吸收光譜的影響

圖2 剛果紅在不同濃度Cl-溶液中的吸收光譜

圖3 陰離子濃度和類型對剛果紅溶液的λmax (a), A499 (b)和Amax (c)的影響

2.1.2 陰離子對剛果紅光譜參數(shù)的影響

隨著鹽濃度的增大，剛果紅溶液的最大吸收峰波長λmax發(fā)生了藍移，為探究波長的變化程度與陰離子濃度間的關(guān)系，將剛果紅的λmax與陰離子濃度對數(shù)值作圖得圖3(a)，結(jié)果表明兩者之間存在線性關(guān)系，說明增加鹽離子濃度促進了剛果紅分子形成聚集體，導(dǎo)致吸收峰向短波方向移動。剛果紅水溶液的最大吸收波長位于499 nm，對應(yīng)著剛果紅單體的吸收。隨著陰離子濃度的增大剛果紅在499 nm處的吸光度A499逐漸下降[圖3(b)]，兩者之間呈負的線性相關(guān)，說明剛果紅單體濃度隨鹽離子濃度的增加而下降，部分剛果紅分子在鹽離子的作用下聚集成為膠束結(jié)構(gòu)。隨著陰離子濃度的增大，剛果紅溶液的峰值吸光度Amax不斷下降[圖3(c)]，且Amax與陰離子濃度的對數(shù)值之間存在線性關(guān)系，反映出鹽濃度增加促進了剛果紅聚集體的形成。

表1 光譜參數(shù)與陰離子濃度對數(shù)值間回歸直線的斜率和R2

2.2 陰離子對絡(luò)合物紫外-可見吸收光譜的影響

剛果紅/β-葡聚糖絡(luò)合物在NaCl溶液中的紫外-可見吸收光譜如圖4(a)所示，可以看出，Cl-對剛果紅/β-葡聚糖絡(luò)合物的影響規(guī)律比較復(fù)雜。需要指出的是，圖中縱坐標為絡(luò)合物與單獨剛果紅溶液之間的吸光度之差ΔA，即兩者的差譜。為了方便說明，對499，556和583 nm處光譜的變化分別進行討論。剛果紅單體對應(yīng)的499 nm處ΔA隨著Cl-濃度的增加而不斷下降，說明鹽離子的加入促進了剛果紅膠束的形成，導(dǎo)致剛果紅單體濃度的降低。556 nm處的吸收峰對應(yīng)結(jié)合于β-葡聚糖上的剛果紅膠束，其吸光度的變化如圖4b所示，當(dāng)Cl-濃度低于0.005 mol·L-1時，ΔA556接近于0；當(dāng)Cl-濃度介于0.01～0.1 mol·L-1時，ΔA556上升至0.1以上；當(dāng)Cl-濃度為0.2 mol·L-1時，ΔA556急劇下降至小于0；隨著Cl-濃度增加至0.4 mol·L-1以上，ΔA556呈上升趨勢，在較高離子濃度時ΔA556又回到0以上。當(dāng)Cl-濃度小于0.2 mol·L-1時ΔA的峰值位于556 nm處，當(dāng)Cl-濃度增加至0.4 mol·L-1時ΔA的峰值移動至583 nm處。

從圖4(b)容易看出，存在兩個Cl-臨界濃度，第一個臨界濃度在0.005 mol·L-1附近，是ΔA在556 nm處出現(xiàn)明顯吸收峰的分界點。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cl-濃度為0.005 mol·L-1時，剛果紅的光譜曲線剛好可以與純水中的光譜曲線區(qū)分開來，表明0.005 mol·L-1的Cl-濃度很可能是引起剛果紅分子聚集形成膠束的最低濃度，此時溶液中的剛果紅膠束開始結(jié)合于β-葡聚糖上形成絡(luò)合物，在差譜圖的556 nm處產(chǎn)生一個吸收峰[圖4(a)]。第二個臨界濃度在0.200 mol·L-1附近，是ΔA在583 nm處出現(xiàn)明顯吸收峰的分界點。此時ΔA在556 nm處的吸收峰消失，在583 nm處出現(xiàn)了新的吸收峰。以上變化表明，當(dāng)NaCl濃度達到0.200 mol·L-1時，剛果紅分子上的電荷被進一步屏蔽，致使剛果紅/β-葡聚糖絡(luò)合物之間借助剛果紅的聚集而形成更大的超分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致吸收峰的紅移，且在光譜的長波方向產(chǎn)生了明顯的米氏散射效應(yīng)[15][圖4(a)]。

圖4 Cl-濃度對剛果紅/β-葡聚糖絡(luò)合物的差譜(a), ΔA556和ΔA583(b)的影響

Fig.4 The effect of Cl-concentration on the difference spectra (a), ΔA556and ΔA583(b) of Congo red/β-glucan complex

3 結(jié) 論

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(Received Oct. 9, 2015; accepted Feb. 25, 2016)

*Corresponding author

Characterization of the Effect of Anion on the Complex of Oat β-Glucan and Congo Red with UV-Vis Absorption Spectroscopy

WU Xiao-yan, ZHAO Lan, LI Lin-lin, LI Jian, WANG Han-yuan, WU Jia*

College of Biological Science and Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China

The effects of concentration and type of anions on aggregation of Congo red in solution were studied with UV-Visible spectroscopy. And the influence of anions on the complex of Congo red and oat β-glucan was further studied. The results showed that the maximum absorption wavelength of Congo red in aqueous solution shifted toward the shorter wavelength, and the absorbency lowered considerably with increasing ionic concentration. There was a significant linear correlation between logarithm of anion concentration and the maximum absorption wavelength, with the peak absorbance, and the absorbance at 499 nm. The influence of anions on aggregation of Congo red was in accordance with Hofmeister series, indicating that hydrophobic interaction is an important driving force for Congo red molecules to assemble into micelles. As for the complexation of Congo red and oat β-glucan, when the concentration of anions exceeded the first critical concentration, the micelle of Congo red began to form and then combined to β-glucan. The absorption peak of the complex presented at 556 nm. When the concentration of anions exceeded the second critical concentration, the complex was developed into supramolecular structure through aggregation of Congo red micelles on Congo red/β-glucan complex, which resulted in the shift of absorption peak toward 583 nm. And the presence of Mie scattering effects at the longer wavelength indicated the formation of larger supramolecular structure. The effect of anions on the above supramolecular structures also followed the order of Hofmeister series, showing that the aggregation of Congo red/β-glucan complex into supramolecular structure was mainly driven through hydrophobic interactions between Congo red micelles on the complex. The research indicated that ions had an important effect on the aggregation of Congo red and the interaction between biopolymers and Congo red.

UV-Vis spectroscopy; Anion; Congo red; Oat β-glucan; Aggregation

2015-10-09，

2016-02-25

國家自然科學(xué)基金項目(31101224)，福建省自然科學(xué)基金項目(2013J05049)資助

吳小燕，女，1991年生，福州大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生 e-mail: fzuerwxy@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: wujia@fzu.edu.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)11-3597-05