陶琳麗,黃 偉,楊秀娟,曹志勇,鄧君明,王姍姍,梅鳳艷,張名偉,張 曦*
1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,云南省動物營養(yǎng)與飼料重點(diǎn)實驗室,云南 昆明 650201 2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)與信息工程學(xué)院,云南 昆明 650201
20種氨基酸近紅外光譜及其分子結(jié)構(gòu)的相關(guān)性
陶琳麗1,黃 偉1,楊秀娟1,曹志勇2,鄧君明1,王姍姍1,梅鳳艷1,張名偉1,張 曦1*
1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,云南省動物營養(yǎng)與飼料重點(diǎn)實驗室,云南 昆明 650201 2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)與信息工程學(xué)院,云南 昆明 650201
旨在研究20種氨基酸的分子結(jié)構(gòu)與其近紅外光譜的相關(guān)性,為氨基酸近紅外光譜在動物科學(xué)、食品和醫(yī)藥等方面的推廣應(yīng)用奠定一定的理論基礎(chǔ)。應(yīng)用島津傅里葉變換紅外光譜儀IRPrestige-21及其近紅外附件FlexIRTM Near-Infrared Fiber Optics module,采集20種氨基酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在1 000~2 502 nm波長范圍內(nèi)的近紅外光譜,分辨率8 cm-1,每個樣品掃描3次,每次掃描50遍,取其平均值為氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品的近紅外光譜。根據(jù)氨基酸側(cè)鏈基團(tuán)的不同,分別比較脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸和雜環(huán)氨基酸中各氨基酸分子結(jié)構(gòu)與其近紅外光譜的相關(guān)性。研究表明,20種氨基酸在1 000~2 502 nm區(qū)域有非常明顯的近紅外光譜吸收且差異顯著。分子量較大的脂肪族氨基酸其近紅外光譜受側(cè)鏈基團(tuán)的影響較大,而甘氨酸近紅外光譜受羧基和氨基的影響較大;兩種芳香族氨基酸近紅外光譜的差異主要來自于苯環(huán),酪氨酸苯環(huán)上的—OH基團(tuán)降低了苯分子的對稱性,導(dǎo)致更多振動吸收峰的出現(xiàn);雜環(huán)氨基酸因其側(cè)鏈上雜環(huán)分子基團(tuán)構(gòu)成不同,其近紅外光譜在1 600~1 800 nm區(qū)域差異較大。綜上,20種氨基酸主要存在4個特征光譜區(qū):第1特征光譜區(qū)為1 050~1 200 nm主要由C—H基團(tuán)的二級倍頻構(gòu)成;第2特征光譜區(qū)為1 300~1 500 nm主要由C—H基團(tuán)的組合頻構(gòu)成;因側(cè)鏈基團(tuán)分子構(gòu)成不同,在第3特征光譜區(qū)1 600~1 850 nm和第4特征光譜區(qū)2 000~2 502 nm表現(xiàn)出差異較大的特征吸收峰。因此,可以利用此4個近紅外光譜特征區(qū)域?qū)Π被徇M(jìn)行定量和定性分析,提高氨基酸近紅外光譜模型預(yù)測的準(zhǔn)確性。
近紅外光譜;氨基酸;分子結(jié)構(gòu);標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)
氨基酸是含有一個堿性氨基和一個酸性羧基的有機(jī)化合物,在生物分子的結(jié)構(gòu)和功能研究中有重要的作用。從細(xì)菌到人類,所有蛋白質(zhì)都由20種標(biāo)準(zhǔn)氨基酸組成,根據(jù)其側(cè)鏈基團(tuán)的性質(zhì),可分為脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸和雜環(huán)氨基酸。
氨基酸常用的檢測方法有離子交換色譜法、高效液相色譜法、氣相色譜法等紫外檢測方法[1],需要對樣品進(jìn)行衍生化和顯色反應(yīng),樣品預(yù)處理過程較為繁瑣。現(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù),可充分利用全譜或多波長下的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行定性或定量分析,其原理是利用有機(jī)物質(zhì)的含氫基團(tuán)(C—H,N—H,O—H等)在波長780~2 500 nm區(qū)域躍遷時產(chǎn)生的光譜變化,結(jié)合計算機(jī)學(xué)與化學(xué)計量學(xué)測定樣品中多種化學(xué)成分含量[2]。構(gòu)成生命體的20種氨基酸主要是由C—H,N—H和O—H等基團(tuán)構(gòu)成,這些基團(tuán)在近紅外區(qū)域會產(chǎn)生明顯的倍頻和組合頻吸收峰。研究表明,應(yīng)用近紅外光譜可以定量檢測飼料、肉與肉制品、谷物、茶葉、中草藥等[3-5],但不同氨基酸預(yù)測的準(zhǔn)確率存在一定差距,這是由于不同氨基酸的側(cè)鏈基團(tuán)存在一定差異,其近紅外光譜也會因分子構(gòu)成的不同表現(xiàn)出光譜差異,如果單純從數(shù)學(xué)模型的角度解決此問題,則效果不明顯。因此,研究20種氨基酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)近紅外光譜,找出氨基酸化學(xué)結(jié)構(gòu)與其近紅外光譜的關(guān)聯(lián)性,對今后氨基酸近紅外光譜的定量定性檢測具有十分重要的意義。
1.1 試驗材料
18種氨基酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(甘氨酸Gly、丙氨酸Ala、纈氨酸Val、亮氨酸Leu、異亮氨酸Ile、絲氨酸Ser、蘇氨酸Thr、甲硫氨酸Met、半胱氨酸Cys、天門冬氨酸Asp、谷氨酸Glu、精氨酸Arg、賴氨酸Lys、苯丙氨酸Phe、酪氨酸Tyr、色氨酸Trp、組氨酸His、脯氨酸Pro)購自中國藥品生物制品檢定所,每瓶含量100mg,固態(tài),除Met純度為99.7%、Glu純度為99.5%以外,其余十六種氨基酸純度均為100%。
剩余兩種氨基酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(天冬酰胺Asn、谷氨酰胺Gln)購自上海安譜科學(xué)儀器有限公司,每瓶含量20mg,固態(tài),Asn純度為99.38%,Gln純度為99.5%。
1.2 近紅外光譜采集
近紅外光譜采集使用島津傅里葉變換紅外光譜儀IRPrestige-21及其配套近紅外附件FlexIRTMNear-Infrared Fiber Optics module,光譜采集軟件為島津IRsolution 1.50,光譜室溫度恒定25 ℃,濕度38%。將每個氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品放入45×25規(guī)格容量瓶中,使用微量樣品勺將樣品聚集為直徑為5 mm,厚度為3 mm以上的圓柱體,將光纖探頭直接置于待測氨基酸樣品上,進(jìn)行光譜掃描。光譜掃描的波長范圍為1 000~2 502 nm,分辨率8 cm-1,每個樣品掃描3次,每次掃描50遍,取三次掃描數(shù)據(jù)平均值為氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品的近紅外光譜。
圖1 側(cè)鏈為烴基脂肪族氨基酸的1 000~2 502 nm近紅外光譜圖及其分子結(jié)構(gòu)
2.1 脂肪族氨基酸
脂肪族氨基酸共有15種,按其側(cè)鏈的不同,又可分為側(cè)鏈為烴鏈的脂肪族氨基酸,側(cè)鏈含有羥基的脂肪族氨基酸、側(cè)鏈含硫原子的脂肪族氨基酸、側(cè)鏈含有羧基的脂肪族氨基酸、側(cè)鏈含有酰胺基的脂肪族氨基酸和側(cè)鏈顯堿性的脂肪族氨基酸。
2.1.1 側(cè)鏈為烴鏈的脂肪族氨基酸
側(cè)鏈只有烴鏈的脂肪族氨基酸有Gly,Ala,Val,Leu和Ile五種,分子量為75.07,89.09,117.15,131.17和131.17,其近紅外圖譜見圖1。
2.1.2 側(cè)鏈含有羥基的脂肪族氨基酸
側(cè)鏈含有羥基的脂肪族氨基酸是Ser和Thr,分子量為105.09和119.12。圖2顯示,Thr相對于Ser在側(cè)鏈主鏈上增加一個端甲基,其近紅外光譜也表現(xiàn)出明顯差異。Ser在1 000~2 502 nm處的近紅外光譜有四個光譜吸收區(qū),分別為1 192,1 451,1 666~1 722和2 082~2 502 nm。Thr的近紅外光譜與其相比,吸收峰明顯提前,且在1 377 nm處的吸收峰明顯小于Ser在1 451 nm處的吸收峰,這可能是因為Thr側(cè)鏈中多增加了一個端甲基,影響了OH基團(tuán)在1 400 nm左右波長范圍內(nèi)的吸收峰的出現(xiàn),轉(zhuǎn)而表現(xiàn)為C—H的組合頻。研究表明,OH基團(tuán)的一級倍頻吸收大致位于1 410 nm處,且會隨著醇分子結(jié)構(gòu)的不同出現(xiàn)在不同的位置[6],這也間接的說明了Ser和Thr在1 451和1 377 nm存在差異的原因。Ser在1 666~1 722 nm處,可以看到有兩個明顯的吸收小峰,而Thr在1 635 nm后整體基線抬高至2 000 nm,兩者在此范圍內(nèi)的吸收有明顯的差異。
圖2 側(cè)鏈含有羥基的脂肪族氨基酸1 000~2 502 nm近紅外光譜圖及其分子結(jié)構(gòu)
2.1.3 側(cè)鏈含有硫原子的脂肪族氨基酸
側(cè)鏈含有硫原子的脂肪族氨基酸是Met和Cys,分子量為149.21和121.16。由圖3可知,Met近紅外光譜在1 185和1 420 nm的吸收峰均高于Cys的1 191和1 408 nm處的吸收峰,這與其側(cè)鏈中多出一個亞甲基和一個端甲基有關(guān)。Met在1 698和1 740 nm處有兩個明顯的吸收峰,且此區(qū)域的峰寬明顯寬于Cys在1 743 nm左右的吸收峰。研究發(fā)現(xiàn)苯硫酚和1-丁硫醇的S—H一級倍頻弱吸收峰出現(xiàn)在1 970~1 980 nm[6],Cys在1 743 nm附近出現(xiàn)的多點(diǎn)吸收峰,推測與S—H一級倍頻相關(guān)。兩種氨基酸在2 160~2 190 nm處均有一個寬吸收峰,除此之外Met在2 102 nm處有一較小的吸收峰,而Cys此處無吸收,Cys在2 400 nm處的吸收峰明顯高于Met。與圖1相比可知,在1 600~1 800 nm范圍內(nèi)近紅外光譜的差異與硫原子相關(guān)。
圖3 側(cè)鏈含有硫原子的脂肪族氨基酸1 000~2 502 nm近紅外光譜圖及其分子結(jié)構(gòu)
2.1.4 側(cè)鏈含有羧基的脂肪族氨基酸
側(cè)鏈含有羧基的脂肪族氨基酸是Asp和Glu,顯酸性,分子量為133.10和147.13。由圖4可知,Glu的側(cè)鏈相對于Asp,增加了一個亞甲基,兩者的近紅外光譜從形狀上來看非常的相似。和前面的脂肪族氨基酸相同,在1 165~1 170,1 378左右,1 691~1 733和2 148~2 502 nm四個波段范圍內(nèi)有明顯的吸收峰。Glu在四個波段范圍內(nèi)的吸收峰明顯提前于Asp,且在1 691 nm處的吸收峰明顯高于Asp在1 733 nm處的吸收峰,這可能與其側(cè)鏈中多增加的一個亞甲基有關(guān)。2 140 nm處氣相甲酸出現(xiàn)OH伸縮振動和CO伸縮振動的組合頻吸收峰[6],Glu和Asp在2 150~2 175 nm附近的強(qiáng)吸收峰推測與此有關(guān)。
圖4 側(cè)鏈含有羧基的脂肪族氨基酸1 000~2 502 nm近紅外光譜圖及其分子結(jié)構(gòu)
2.1.5 側(cè)鏈含有酰胺基的脂肪族氨基酸
側(cè)鏈含有酰胺基的脂肪族氨基酸是Asn和Gln,分子量為132.12和146.15。由圖4和圖5可知,當(dāng)Asp和Glu側(cè)鏈中的—OH基團(tuán)被—NH2基團(tuán)取代后,本來光譜差異不明顯的天門冬酸和Glu,轉(zhuǎn)變?yōu)锳sn和Gln后近紅外光譜發(fā)生了非常明顯的改變。除與烷基相關(guān)的1 165和1 178 nm吸收峰與Asp和Glu相似外,其余的吸收峰均差異較大。天冬酰氨在1 556~1 560 nm內(nèi)有較高的吸收峰,在1 700 nm附近只有幾個較弱的吸收峰,而谷酰胺則分別在1 527 nm左右和1 722 nm左右有兩個明顯的吸收區(qū)域。兩者光譜差異最大的是在2 000~2 502 nm,天冬酰氨在1 979 nm處有一個大的吸收峰,從2 084 nm區(qū)域開始直到2 500 nm吸收峰呈現(xiàn)多個峰值不高的小峰。而Glu除在1 994 nm處有一個大的吸收峰外,在2 225 nm處出現(xiàn)了一個更大的吸收峰。由圖5可知,對于含有酰氨基的氨基酸,受側(cè)鏈上—CH2基團(tuán)的影響較大,其差異主要表現(xiàn)在N—H的一級倍頻1 400~1 800nm和組合頻1 900~2 502 nm區(qū)域。
圖5 側(cè)鏈含有酰胺基的脂肪族氨基酸1 000~2 502 nm近紅外光譜圖及其分子結(jié)構(gòu)
2.1.6 側(cè)鏈顯堿性的脂肪族氨基酸
側(cè)鏈顯堿性的脂肪族氨基酸是Arg和Lys,分子量為174.20和146.19。由圖6可知,Arg的側(cè)鏈末端含有一個胍基,Lys的側(cè)鏈末端只含有一個NH2基團(tuán),因此Arg的近紅外光譜也相對復(fù)雜。圖6中,1 000~2 502 nm范圍也出現(xiàn)了四個近紅外吸收譜區(qū),分別為1 204,1 421,1 722和2 120~2 502 nm區(qū)域。Arg在1 000~2 502 nm處的近紅外光譜吸收譜區(qū)較多,除1 202 nm的吸收峰外,在1 052 nm處也有一個明顯的吸收。研究表明,NH2的二級倍頻吸收位于1 035 nm[6],則Arg在1 052 nm的吸收峰有可能是NH2的二級倍頻吸收峰位移到此處。Arg在1 538 nm處有一明顯的吸收峰,而后直到1 817 nm范圍內(nèi)都是一些弱的吸收,而Lys諄在1 722 nm處有一強(qiáng)的吸收峰。研究表明,以四氯化碳為溶劑的二異丁胺在1 667~1 820 nm處呈現(xiàn)6個鋸齒狀的吸收峰[6],Lys在此范圍內(nèi)也出現(xiàn)類似吸收峰,因為二異丁胺也有和兩個碳元素相連接的—NH基團(tuán),因此推測此吸收峰的出現(xiàn)與Arg的—NH基團(tuán)有關(guān)。Arg和Lys在2 000~2 502 nm范圍內(nèi)的吸收峰也差異明顯,Arg有兩個較強(qiáng)的吸收峰區(qū)域,而Lys從2 120 nm后表現(xiàn)為多個高度相似的吸收峰。
圖6 側(cè)鏈顯堿性的脂肪族氨基酸1 000~2 502 nm近紅外光譜圖及其分子結(jié)構(gòu)
2.2 芳香族氨基酸
芳香族氨基酸有Phe和Tyr,分子量為165.19和181.19。由圖7可知,Tyr側(cè)鏈上的苯環(huán)連有一個—OH,其近紅外光譜也相對復(fù)雜的多,這是因為—OH基團(tuán)降低了苯分子的對稱性,導(dǎo)致更多振動吸收峰的出現(xiàn)[6]。在圖7中,Phe和Tyr在1 138和1 137 nm處有一明顯吸收峰,此吸收峰可能是烷基的二級倍頻,在1 400 nm左右,有輕微的基線抬高,可能是烷基在此處的組合頻受到側(cè)鏈上苯環(huán)的影響所致。Phe在1 675 nm左右有一明顯的吸收峰和兩個弱吸收峰,而苯在1 670 nm處存在非紅外活性伸縮振動的一級倍頻吸收的雙峰[6],Tyr在此區(qū)域內(nèi)的兩個吸收峰分別為1 601和1 682 nm。從2 086 nm開始,Tyr在此處有5外連續(xù)的吸收峰,呈現(xiàn)一個手掌的形狀,除此之外,還在2 331 nm處有一尖的吸收峰,Phe在此區(qū)域內(nèi)的峰形則相對變化不大,從2 160 nm個開始出現(xiàn)連續(xù)的波形吸收峰。研究發(fā)現(xiàn),酚在1 920~2 100 nm間的一系列強(qiáng)的組合頻吸收帶均為OH的吸收,1 920和1 968 nm處的吸收峰是由OH伸縮振動與芳環(huán)間的相互作用產(chǎn)生的。2 020 nm處的吸收峰是OH伸縮振動和變形振動的組合頻,2 054和2 090 nm可能是OH伸縮振動和與其他振動存在相互作用的C—O伸縮振動的組合頻[6]。據(jù)此,推測Tyr自2 087 nm處開始的手指狀吸收峰與苯環(huán)上的OH基團(tuán)相關(guān),因苯環(huán)上除連有OH基團(tuán)外,還有對位上其他基團(tuán),因此吸收峰整體后移。
圖7 芳香族氨基酸1 000~2 502 nm近紅外光譜圖及其分子結(jié)構(gòu)
圖8 雜環(huán)氨基酸1 000~2 502 nm近紅外光譜圖及其分子結(jié)構(gòu)
2.3 雜環(huán)氨基酸
雜環(huán)氨基酸有Trp,His和Pro三種,分子量為204.23,155.16和115.13。如圖8所示,Trp和His都是丙酸,側(cè)鏈基團(tuán)中的沼環(huán)均連接在第3碳原子上,吲哚基是Trp的特有化學(xué)基團(tuán),由吡咯與苯并聯(lián)去掉一個氫原子構(gòu)成。Trp的近紅外光譜因含有苯環(huán),因此和芳香簇氨基酸類似在1 680 nm也出現(xiàn)了一個明顯的吸收峰。除此之外,Trp在1 505 nm處有一個較高的吸收峰,推測與吲哚基的出現(xiàn)有關(guān)。His的側(cè)鏈雜環(huán)基團(tuán)是咪唑基,顯堿性,其近紅外光譜吸光度值明顯低于其余19種氨基酸,N—H基團(tuán)在不同的物質(zhì)中吸收峰出現(xiàn)的區(qū)域不同,通常出現(xiàn)在1 000 nm附近、1 430~1 620和1 950~2 100 nm等區(qū)域[7],且隨著結(jié)合基團(tuán)不同出現(xiàn)前后偏移,因此推測His在1 600~1 800 nm處出現(xiàn)的吸收峰與咪唑基相關(guān)。Pro是一種α-亞氨基酸,是α-氨基酸的側(cè)鏈取代了自身氨基上的一個氫原子而形成的雜環(huán)結(jié)構(gòu)。其近紅外吸收光譜與大多數(shù)氨基酸相同,也分為1 160,1 362左右,1 650~1 700和2 162~2 502 nm四個區(qū)域。有研究表明,環(huán)狀烷烴衍生物的一級倍頻出現(xiàn)在1 660 nm附近[8-9],因此,Pro在1 160和1 362 nm與C—H基團(tuán)的吸收峰相關(guān),而1 686 nm附近的吸收峰與其雜環(huán)結(jié)構(gòu)相關(guān)。
綜上,20種氨基酸在1 000~2 502 nm區(qū)域有非常明顯的近紅外光譜吸收且差異顯著。在1 050~1 200 nm區(qū)域和1 300~1 500 nm區(qū)域的吸收峰主要由C—H基團(tuán)的二級倍頻和組合頻構(gòu)成。因側(cè)鏈基團(tuán)的分子構(gòu)成不同,在1 500~1 850和2 000~2 502 nm區(qū)域表現(xiàn)出各自特征吸收峰,故而可以利用此四個近紅外光譜特征區(qū)域?qū)Π被徇M(jìn)行定量和定性分析。根據(jù)待測樣品中的氨基酸構(gòu)成,合理確定氨基酸近紅外預(yù)測模型的光譜區(qū)域,提高模型預(yù)測的準(zhǔn)確性,促進(jìn)近紅外光譜學(xué)在食品、藥品、飼料、醫(yī)學(xué)等方面的推廣應(yīng)用。
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*Corresponding author
(Received Nov.5, 2015; accepted Mar.23, 2016)
Correlations Between Near Infrared Spectra and Molecular Structures of 20 Standard Amino Acids
TAO Lin-li1, HUANG Wei1, YANG Xiu-juan1, CAO Zhi-yong2, DENG Jun-ming1, WANG Shan-shan1, MEI Feng-yan1,ZHANG Ming-wei1, ZHANG Xi1*
1.Faculty of Animal Science and Technology, Key Laboratory of Animal Nutrition and Feed Science of Yunnan Province, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China 2.College of Basic Science and Information Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China
The objective of the research was to study the correlations between near infrared spectra and molecular structures of 20 standard amino acids.It was to establish the theoretical foundation for widely use of the amino acids near infrared spectra in animal science, food and medicine.Measurement of the near infrared spectra was performed using a Shimadzu Fourier transform infrared spectrophotometer IRPrestige-21, with FlexIRTM Near-Infrared Fiber Optics module.The spectrometric data acquisitions were performed by Shimadzu IRsolution 1.50 system.The spectrometric room temperature was 25 ℃ and humidity was 38%.Spectra of 20 amino acid standard substances were collected by reflectance mode from 1 000 to 2 502 nm in 8 cm-1increment.Each sample was scanned in three times, each scan was 50 cycles, and the average value of three times scan result was used for each sample.Based on the differences of amino acids side chains, the correlations between near infrared spectra and molecular structures were compared in the fat family amino acids, aromatic amino acids and heterocycle amino acids.The result shows that all 20 standard amino acids have very specific absorption line patterns.It is distinctly different in these absorption line patterns.Near-infrared spectra of high molecular weight fat family amino acids are affected by side chains.Near-infrared spectra of glycine are affected by carboxyl and amino.The differences of near-infrared spectra between two aromatic amino acids are in benzene ring.—OH groups on benzene ring of tyrosine lower the symmetry of benzene molecule.It leads to the emergence of more vibration absorption.Near-infrared spectra of heterocycle amino acids are distinctly different in 1 000~2 502 nm because of side chains.In conclusion, there are four different characteristic spectral regions.The first one is 1 050~1 200 nm spectral region which is composed mainly of second-order frequency doubling of C—H group.The second is 1 300~1 500 nm spectral region which is composed mainly of combination tune of C—H group.Due to side chains of amino acid have different molecular structure, they yield a complete set of near infrared fingerprint spectra between 1 600~1 850 and 2 000~2 502 nm.In another words, these four characteristic regions of near infrared spectra can be used to build the model of qualitative analysis and quantitative analysis for amino acid, and improves the accuracy and reliability of model.
Near infrared reflectance spectroscopy (NIRS); Amino acids; Molecular structures; Standard substance
2015-11-05,
2016-03-23
國家高技術(shù)研究發(fā)展專項(863計劃)項目(2011AA100305),云南省科技創(chuàng)新工程項目(2008LA020)和云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃面上項目(2011FB056)資助
陶琳麗,1974年生,云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院副教授 e-mail: tllkm@qq.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: 943727490@qq.com
O434.3
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10.3964/j.issn.1000-0593(2016)09-2766-08