趙穎 王雙節(jié) 柳穎 焦沙沙 鄒茹冰 方一畫 郭逸蓉 朱國念
摘 要 以醛基修飾的載玻片為固相載體,農(nóng)藥競爭抗原為包被抗原,膠體金為標(biāo)記材料,抗農(nóng)藥單克隆抗體為識別元件,銀增強(qiáng)試劑用于放大信號,建立了一種含有10對包被抗原與農(nóng)藥抗體組合的免疫芯片,可同時檢測農(nóng)產(chǎn)品中毒死蜱、三唑磷、克百威、噻蟲啉、吡蟲啉、多菌靈、異菌脲、涕滅威、甲氰菊酯和百菌清共10種農(nóng)藥。對膠體金標(biāo)記探針、包被抗原與農(nóng)藥抗體組合等免疫芯片反應(yīng)條件進(jìn)行了優(yōu)化。本方法對10種農(nóng)藥的檢出限(IC20)達(dá)到1.49~15.72 μg/L,檢測僅需1.5 h。將此芯片方法應(yīng)用于水果(蘋果)、蔬菜(黃瓜)以及茶葉(紅茶)中的10種農(nóng)藥殘留檢測,其最低檢出量可滿足相應(yīng)作物中的農(nóng)藥最大殘留限量(MRL)檢測要求,且此芯片檢測方法具有較高的準(zhǔn)確度和精密度,農(nóng)藥的添加回收率為82.1%~120.8%,批內(nèi)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD≤10.4%, 批間RSD≤12.1%,與質(zhì)譜儀檢測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)大于0.9591。本研究為農(nóng)藥多殘留快速檢測分析提供了技術(shù)支持,具有良好的實用價值。
關(guān)鍵詞 農(nóng)藥多殘留; 快速檢測; 免疫芯片; 膠體金; 競爭反應(yīng)
1 引 言
發(fā)展食品中農(nóng)藥殘留的檢測技術(shù),對保障食品安全和消費(fèi)者健康、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有非常重要的意義。常用的農(nóng)藥殘留檢測技術(shù)為色譜法、質(zhì)譜法等儀器方法[1~6],準(zhǔn)確率高,可實現(xiàn)定性與定量分析,但其耗時長、檢測成本高,對檢測人員技能要求高,而農(nóng)藥殘留快速檢測技術(shù)可以彌補(bǔ)這些不足。常見農(nóng)藥殘留快速檢測方法包括酶抑制法和免疫分析方法。其中,酶抑制法已列入國家標(biāo)準(zhǔn),但其檢測對象僅限于有機(jī)磷及氨基甲酸酯類殺蟲劑,這兩類農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已較少使用,因而存在一定的局限性。免疫分析方法主要基于抗原抗體反應(yīng),其檢測的農(nóng)藥范圍比酶抑制法更寬,檢測快速,特異性強(qiáng),靈敏度高。
常見的免疫分析方法主要包括酶聯(lián)免疫吸附法(ELISA)和免疫側(cè)流層析試紙法。Liu等[7]建立了間接競爭性ELISA定量檢測果蔬中苯醚甲環(huán)唑的方法,最低檢出量達(dá)229 μg/kg; Ma等[8]建立了ELISA法檢測蜂蜜樣品中的吡蟲啉和噻蟲嗪殘留,最低檢出量為20 μg/kg 和5 μg/kg; Chen等[9]建立了量子點-鏈霉親和素偶聯(lián)物快速靈敏競爭熒光ELISA方法,用于飲用水中毒死蜱檢測,靈敏度較常規(guī)ELISA提高了5.5倍。對于ELISA法,一種試劑盒通常只能檢測一種或兩種農(nóng)藥。隨著膠體金、量子點、熒光微球等多種納米材料被適為標(biāo)記物,試紙免疫側(cè)流層析法在農(nóng)藥殘留檢測中的應(yīng)用研究日益增多[10]。Liu等[11]將膠體金試紙技術(shù), 用于三唑磷和對硫磷農(nóng)藥檢測,檢測靈敏度分別為50和100 μg/L; Wang等[12]將量子點試紙技術(shù)應(yīng)用于吡蟲啉、氯噻啉、噻蟲胺農(nóng)藥檢測,檢出限為0.10~0.33 μg/L; Zhang等[13]將時間分辨免疫層析技術(shù)用于檢測克百威,檢出限達(dá)0.04~0.76 μg/L。雖然免疫層析試紙的制備成本低,便于攜帶,現(xiàn)場檢測方便,但由于其空間局限性,一條試紙不易設(shè)置5條以上的測試線[14],故一般檢測農(nóng)藥的種類小于5種[15]。因此,亟需研發(fā)能實現(xiàn)更多種農(nóng)藥殘留同時快速定性與定量檢測的分析方法。
免疫芯片是以抗原-抗體特異性結(jié)合反應(yīng)為基礎(chǔ)的蛋白芯片,是將幾個、幾十個甚至更高通量的抗原或抗體微量化, 以點陣式高密度排列于載體芯片,通過特異性免疫反應(yīng)捕獲待測樣品中的靶分子,檢測靶分子的含量[16]。免疫芯片技術(shù)已應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)的疾病診斷、蛋白質(zhì)功能鑒定、微生物致病菌鑒定方面,并逐漸拓展到環(huán)境監(jiān)測、食品衛(wèi)生與質(zhì)量安全控制等方面[17]。近年來,免疫芯片技術(shù)已被用于小分子污染物的檢測中,主要采用固定包被抗原的競爭免疫反應(yīng)模式,使用的芯片載體有瓊脂糖玻片、醋酸纖維膜和CD光盤,檢測對象有獸藥[18]、真菌毒素[19]、農(nóng)藥[20,21]等,但目標(biāo)測試物通常不超過10種,且大都局限于環(huán)境水樣的檢測,尚未將免疫芯片技術(shù)應(yīng)用于畜產(chǎn)品、農(nóng)產(chǎn)品等復(fù)雜基質(zhì)樣本。 這可能是由于復(fù)雜樣品基質(zhì)對不同抗原-抗體反應(yīng)的干擾程度不同,當(dāng)多個免疫反應(yīng)同時在均相統(tǒng)一的體系條件下進(jìn)行,會影響個別反應(yīng)的靈敏度,或者部分抗原-抗體有交叉識別現(xiàn)象。因此,目前關(guān)于農(nóng)產(chǎn)品基質(zhì)中農(nóng)藥多殘留檢測免疫芯片技術(shù)的報道較少。本課題組前期建立的基于金增強(qiáng)的間接競爭免疫芯片技術(shù)用于檢測蔬果中呋喃丹等7種農(nóng)藥[22],采用QuEChERS方法進(jìn)行樣品提取與凈化,從而降低基質(zhì)干擾,但該研究采用硝酸纖維膜為非共價結(jié)合吸附載體,包被抗原固定程度易受反應(yīng)體系(如pH值、鹽離子強(qiáng)度)的影響,且漂洗過程存在膜易破損、不便操作等缺點。
本研究選擇玻片為載體,在其表面進(jìn)行醛基修飾,將包被抗原以共價鍵結(jié)合固定于載體上,更加穩(wěn)定,并建立了毒死蜱等10種常見農(nóng)藥多殘留的免疫芯片檢測方法。
2 實驗部分
2.1 儀器與試劑
UV-2550紫外分光光度計(日本島津公司); PHS-3C pH計(上海雷磁環(huán)保工程公司); Milli-Q超純水儀(美國Millipore公司); Allegra 64R臺式高速離心機(jī)(美國Beckman公司); GB500-X芯片點樣儀(愛爾蘭PolyPico Technologies公司); 圖像掃描儀(日本EPSON公司); Analysis Only 4100芯片數(shù)據(jù)分析軟件(美國GenePix Pro公司); Agilent 7000C氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜儀(GC-MS/MS,美國Agilent公司); 超高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜儀(UPLC-MS/MS,美國Waters公司)。
氯金酸、檸檬酸三鈉、N-羥基丁二酰亞胺、1-(3-二甲基氨丙基)-3-乙基碳二亞胺、牛血清白蛋白(BSA)、雞卵清白蛋白(OVA)、銀增強(qiáng)液A和銀增強(qiáng)液B、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙二醇(PEG)、鄰苯二胺(OPD)、N-丙基乙二胺(PSA) (美國Sigma-Aldrich公司),其它試劑均為分析純(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司)。脫脂奶粉(上海光明乳業(yè)公司); 8 mg/mL羊抗鼠IgG(二抗,上海捷寧生物公司); 瓊脂糖(北京Solarbio公司); 芯片圍欄(北京博奧生物公司); 載玻片(浙江同力信息科技公司)。實驗用水為超純水(18.2 MΩ cm)。
毒死蜱、三唑磷、甲氰菊酯、克百威、噻蟲啉、吡蟲啉、百菌清、多菌靈、涕滅威、異菌脲標(biāo)準(zhǔn)品(100 μg/mL, 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院天津環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所); 百菌清、多菌靈、涕滅威、異菌脲的包被抗原和農(nóng)藥相應(yīng)的抗體購于無錫杰圣杰康生物科技有限公司,其它包被抗原和農(nóng)藥相應(yīng)的抗體由本實驗室制備。
蘋果、黃瓜、紅茶樣品購于本地超市。
2.2 醛基玻片制備
載玻片先用超純水清洗,再將其完全浸沒于食人魚刻蝕液(98% H2SO4-30% H2O2=3∶1,V/V), 80℃處理40 min, 然后用超純水清洗3次,氮氣吹干。
將氨基硅烷化后的玻片放入含3%~4%(V/V) 戊二醛的磷酸鹽緩沖溶液(PBS, 0.01 mol/L,pH 7.4)中,室溫下浸泡2 h,取出后先用PBS清洗3次,然后用超純水漂清洗3次,氮氣吹干,于4℃干燥保存,備用。
2.3 膠體金及金標(biāo)二抗探針的制備
以金標(biāo)二抗為信號探針,采用經(jīng)典的檸檬酸三鈉還原法制備20 nm 膠體金[23]用于標(biāo)記二抗。采用鹽沉淀法和吸光度法,進(jìn)行膠體金標(biāo)記體系pH值和最適標(biāo)記量優(yōu)化[24]。在二抗標(biāo)記濃度為80 mg/L條件下,用0.1 mol/L K2CO3調(diào)節(jié)膠體金溶液pH值為6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0和9.5,篩選最適標(biāo)記pH值; 在最適pH條件下,進(jìn)行膠體金最適標(biāo)記量優(yōu)化,分別設(shè)置10、20、40、80和100 mg/L的二抗標(biāo)記濃度,篩選最適標(biāo)記量。按照文獻(xiàn)[24]的方法,在最適條件下,制備金標(biāo)二抗探針。
2.4 芯片點樣與檢測方法
(1)點樣 將各農(nóng)藥包被原用30%甘油-0.05 mol/L CBS (pH 9.6)緩沖液稀釋后,用微量點樣儀點樣包被于醛基化玻片上(3 nL/點,冷凍干燥 2 h),10種農(nóng)藥包被抗原在醛基玻片上的排布陣列如圖1所示; (2)芯片圍欄分區(qū) 將芯片圍欄黏貼在相應(yīng)的區(qū)域,0.05% Tween-20-0.01 mol/L PBS (PBST)洗滌2次; (3)封閉 5%脫脂奶粉-PBS,100 μL/孔,37℃ 孵育30 min,PBST洗滌2次; (4)一抗反應(yīng) 加入抗體和待測樣品(農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品或水果、蔬菜、茶葉等提取液), 10種抗體稀釋液和待測樣品各25 μL/孔, 振蕩混勻后,37℃孵育30 min, PBST洗滌2次; (5)金標(biāo)二抗反應(yīng) 加入金標(biāo)二抗20倍稀釋液(100 μL/孔),37℃孵育30 min,用PBST和超純水各洗滌1次; (6)銀增強(qiáng)反應(yīng) 加入銀增強(qiáng)A液和B液等體積混合液,100 μL/孔,室溫孵育15 min,超純水洗滌2次; (7)芯片掃描 將芯片置于圖像掃描儀進(jìn)行掃描成像,用Adobe photoshop 7.0.1生成16位灰度圖,將所得圖片置于芯片數(shù)據(jù)分析軟件中獲得每個檢測區(qū)域的信號值,用于定量計算; (8)數(shù)據(jù)分析 采用芯片數(shù)據(jù)分析軟件計算每個檢測點的信號值和背景值,扣除背景值后得到相對信號值。抑制率(Inhisition rate (%))的計算見公式(1):
I(%)={(Sb-Ss)/Sb}×100%(1)
其中,I為抑制率, Sb為空白樣品的信號值; Ss為檢測樣品的信號值。
以抑制率為縱坐標(biāo),農(nóng)藥濃度對數(shù)為橫坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,并計算抑制率IC50。
2.5 實際樣品分析
用甲醇將毒死蜱等10種農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行梯度稀釋,將農(nóng)藥混合標(biāo)樣分別添加于黃瓜、蘋果、紅茶空白樣品(經(jīng)質(zhì)譜儀檢測,毒死蜱等10種農(nóng)藥的初始?xì)埩袅烤∮趦x器檢測限)中。
芯片檢測:采用簡化的QuEChERS法[21]對待測樣品進(jìn)行快速前處理。稱取水果、蔬菜樣品10 g(茶葉樣品 1 g,加入10 mL超純水浸泡10 min),加入10 mL乙腈,振蕩提取3 min,加入1 g NaCl和5 g無水MgSO4,振蕩提取3 min,4000 r/min離心5 min。取5 mL上清液,加入0.1 g PSA,靜置30 min后,吸取 2 mL 上清液,氮氣吹干,用反應(yīng)緩沖液(20%甲醇-PBS)定容,過0.22 μm有機(jī)濾膜后待測。采用2.4節(jié)的方法進(jìn)行測定。
儀器檢測:黃瓜、蘋果和紅茶樣品中10種農(nóng)藥殘留的前處理與檢測方法參照中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T761-2008[25],其中噻蟲啉、多菌靈、吡蟲啉和涕滅威4種農(nóng)藥用UPLC-MS/MS檢測,其余6種農(nóng)藥用GC-MS/MS檢測。
3 結(jié)果與討論
3.1 芯片的包被抗原與農(nóng)藥抗體工作濃度優(yōu)化
采用10組包被抗原-農(nóng)藥抗體組合,分別為毒死蜱-OVA,三唑磷-OVA,克百威-OVA,噻蟲啉-OVA,吡蟲啉-HRP,多菌靈-BSA,異菌脲-BSA,涕滅威-BSA,甲氰菊酯-BSA,百菌清-BSA和相應(yīng)的農(nóng)藥抗體組合,一個陣列組合中包含以上10種包被抗原,一張玻片包含7個陣列組合。免疫芯片反應(yīng)過程如圖2所示。
為實現(xiàn)各組包被原-抗體反應(yīng)均獲得較高的信號響應(yīng)、靈敏度和特異性,根據(jù)芯片檢測點的掃描分析數(shù)據(jù),最終確定芯片中包被抗原-農(nóng)藥抗體工作濃度。其中,包被抗原在免疫芯片上的點樣濃度為0.02~1.00 g/L, 一抗?jié)舛葹?.20~5.00 mg/L; 將50 mg/L二抗用于膠體金標(biāo)記,反應(yīng)時金標(biāo)探針稀釋20倍。優(yōu)化得到包被抗原-農(nóng)藥抗體組合濃度見表1。
3.2 免疫芯片方法的分析性能
采用10種農(nóng)藥的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測試,通過芯片掃描儀成圖并獲取信號值進(jìn)行定量分析,得出10種農(nóng)藥的抑制中濃度(IC50)、標(biāo)準(zhǔn)曲線方程(R2>0.96)和線性范圍見表2,芯片測試掃描圖見圖3。
結(jié)果表明,以醛基玻片為固相載體構(gòu)建的免疫芯片方法,對各農(nóng)藥的IC50與采用同樣包被抗原和農(nóng)藥抗體建立的間接競爭ELISA方法對各農(nóng)藥的IC50相當(dāng),且接近于本研究組前期建立的膜芯片法[22]。本方法以IC20為檢出限,以黃瓜中毒死蜱農(nóng)藥殘留為例,其IC20=1.31 μg/L,黃瓜樣品提取需要10倍稀釋,則理論最低檢出量為13.1 μg/kg,可滿足黃瓜中毒死蜱最大殘留限量100 μg/kg的檢測要求[26,27]; 同理,其它9種農(nóng)藥的最低檢出量也可滿足黃瓜中MRL檢測要求。
3.3 樣品的基質(zhì)效應(yīng)
免疫芯片用于檢測蘋果、黃瓜、紅茶樣品中的10種農(nóng)藥,需首先考察樣品基質(zhì)對檢測結(jié)果的干擾程度,通常采用樣品稀釋法降低基質(zhì)效應(yīng)。本研究采用簡化的QuEChERS法對待測樣品進(jìn)行提取、凈化、濃縮和定容,根據(jù)最終定容體積可計算出樣品基質(zhì)的稀釋倍數(shù)。設(shè)置樣品稀釋系列梯度(1、10、20和40倍),進(jìn)行各基質(zhì)不同稀釋倍數(shù)下的10種農(nóng)藥的芯片法檢測,實驗結(jié)果表明,黃瓜樣品稀釋10倍,蘋果和茶葉樣品稀釋20倍,其基質(zhì)干擾可忽略,不影響方法的檢出限。因而,樣品提取凈化后取2 mL上清液,氮氣吹干,黃瓜樣品采用20 mL的反應(yīng)緩沖液定容(10倍稀釋),蘋果和茶葉樣品采用40 mL的反應(yīng)緩沖液定容(20倍稀釋)。以蔬菜樣品(黃瓜)為例,其添加回收率及批內(nèi)批間差異見表3。蘋果、黃瓜、紅茶樣品的添加回收率為82.1%~120.8%,批內(nèi)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.1%~14.8%,批間RSD為3.6%~12.1%,表明基于醛基玻片的農(nóng)藥多殘留檢測方法具備良好的準(zhǔn)確度和精確度,符合農(nóng)藥殘留分析的要求,且檢測靈敏度符合3種農(nóng)產(chǎn)品的MRL要求(MRL數(shù)值見電子版文后支持信息中附表)。
3.4 芯片法與儀器法檢測結(jié)果的相關(guān)性
分別使用免疫芯片方法和液(氣)相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀器方法檢測蘋果、黃瓜、紅茶樣品上10種農(nóng)藥添加回收量(表3), 將兩種檢測結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析,得到線性回歸方程,蘋果: y=1.0419x-0.9035,R2=0.9730; 黃瓜: y=1.0037x+2.4689, R2=0.9741; 紅茶: y=1.0046x+7.2808, R2=0.9591。 結(jié)果表明,免疫芯片分析方法和質(zhì)譜分析方法對10種農(nóng)藥的檢測結(jié)果具有良好的相關(guān)性,兩種檢測方法對黃瓜樣品檢測的相關(guān)性曲線見圖4。
4 結(jié) 論
建立了農(nóng)藥多殘留免疫芯片檢測體系,并應(yīng)用于三類農(nóng)作物和水果(蘋果)、蔬菜(黃瓜)、茶葉(紅茶)中毒死蜱等10種常見農(nóng)藥殘留的快速篩查,而且有望應(yīng)用于其它農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥殘留檢測。與傳統(tǒng)農(nóng)藥殘留儀器檢測方法相比,此芯片方法具有成本低、前處理方法簡單、檢測快速、檢測農(nóng)藥種類相對較多等優(yōu)勢。
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