[논문]LC-MS/MS를 이용한 수산물 중 콜리스틴 분석법 개발

신다솜; 강희승; 이수빈; 조윤제; 천소영; 정지윤; 이규식

doi:10.13103/jfhs.2016.31.5.319

LC-MS/MS를 이용한 수산물 중 콜리스틴 분석법 개발
Development of Analytical Method for Colistin in Fish and Shrimp using Liquid Chromatography Mass Spectrometry 원문보기

한국식품위생안전성학회지 = Journal of food hygiene and safety, v.31 no.5, 2016년, pp.319 - 326

초록
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LC-MS/MS를 이용하여 폴리펩타이드계 동물용의약품인 콜리스틴에 대한 시험법을 확립하여 정량성 및 정밀성을 확보하였으며, 확립된 시험법의 적용성 검증을 위해 국제식품규격위원회 기준에 따라 특이성, 정확성, 직선성, 정밀성, 검출한계, 정량한계 등을 검증하였다. 콜리스틴 표준용액을 잔류허용기준의 농도에 따라 검량선을 작성한 결과 0.99 이상의 직선성을 확인 할 수 있었으며, 본 실험에서의 평균 회수율은 85.9~107%이었다. 또한, 분석오차는 11.8% 이하로 정확성 및 재현성이 우수하였으며, 검출한계는 0.02 mg/kg, 정량한계는 0.05 mg/kg이었다. 또한, 실험실간 교차검증을 통하여 신뢰성을 확보하였다. 확립된 분석법은 양식 수산물 중 잔류할 수 있는 동물용의약품인 콜리스틴에 대한 안전관리에 활용 할 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Colistin is a last resort antimicrobial agent against multi-drug resistant Gram-negative bacteria. This study was conducted to develop an analytical method to determine colistin in fish and shrimp. The analytes were confirmed and quantified via liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) in the positive ion mode using multiple reaction monitoring (MRM). The sample was extracted with acidified 5% methanol (containing 0.5% formic acid). Then, solid phase extraction (SPE) was used for cleanup. Matrix-matched calibration curves were linear over the calibration ranges (0.05-1.2 mg/kg) for all the analytes into blank sample with $r^2$ > 0.99. All the values fulfilled the criteria requested by the Codex guidelines. Average recoveries ranged from 85.9% to 107.9%. The repeatability of measurements, expressed as the coefficient of variation (CV, %), was less than 15%. The limit of detection (LOD) was 0.02 mg/kg, and the limit of quantitation (LOQ) was 0.05 mg/kg. This improved method showed higher accuracy and acceptable sensitivity to meet the CAC guideline requirements and is applicable for the analysis of residual colistin (A+B) in fish and shrimp.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

현재의 시험법을 적용하였을 경우 40% 이하의 낮은 회수율을 보여주었다. 본 연구를 통해 회수율 개선뿐만 아니라 콜리스틴 A와 B를 모두 포함하여 잔류허용기준(MRL)에 따라 수산물 중 콜리스틴에 대해 고감도로 분석이 가능한 공인된 분석법을 개발하고자 하였다.

제안 방법

5%개미산 용매에서 극성도는 최대한 높이고 비극성 간섭물질의 추출률을 비교적 낮추기 위해서 5%의 메탄올을 첨가하였다. 0.5% 개미산을 포함한 5% 메탄올로 추출 후 모든 화합물을 위한 균형-역상 흡착제인 HLB 카트리지를 사용하여 정제과정을 거쳤다. 시험용액을 기기 분석 전 불순물을 한번 더 제거하기 위한 멤브레인 필터를 선택하기 위하여 분석에 가장 많이 쓰이는 4가지를 선정하여 회수율 실험을 수행하여 산/염기가 함유된 유기용매 정제에 가장 적합하고 감도가 가장 뛰어난 0.
MS/MS 분석 시 collision cell에서의 energy를 조절하여 콜리스틴 A에서의 가장 높은 감도를 보이는 생성이온 m/z 101 ([α,γ-diaminobutyric acid-γ-NH2]+)을 정량이온(quantification ion)으로 선택하고, 다음으로 크게 검출되는 두 개의 생성이온 m/z 202 ([α,γ-diaminobutyric acid-threonine-H]+), m/z 569 ([M1+2H-H2O]2+)을 정성이온(qualification ion)으로 설정하였다.
또한, 고상추출 카트리지로 사용한 hydrophilic-lipophilic balance (HLB, 6cc, 200 mg)는 Waters(Oasis, MA, USA)에서 구입하여 사용하였다. 개미산(formic acid) 등 그 이외의 분석용 시약 및 용매는 특급 또는 분석용을 사용하였다. 시험용 시료는 수산물 섭취량과 소비량을 고려하였으며⁸⁾, 수산물의 지방함량 및 조직특성을 고려하여 갑각류(새우), 해수어(넙치), 담수어(장어)를 선정하였다.
개선된 분석법은 CAC/GL 16번과 71번^9,10) 및 최근 식품의약품안전처에서 발간한 식품 등 시험법 마련 표준절차에 관한 가이드라인¹¹⁾에 따라서 직선성(linearity), 정확성(accuracy), 정밀성(precision), 정량한계(limit of quantification, LOQ)를 측정하여 유효성을 검증하였다. 직선성은 혼합표준용액을 잔류허용기준 농도의 1/3, 1/2, 1, 2, 4, 8배가 되도록 시료전처리 과정과 동일하게 거친 시료액을 이용하여 LC-MS/MS에 주입하여 얻어진 피크면적으로 검량곡선을 작성하고 직선성을 구하였다.
5, 1, 2배 농도로 표준용액을 첨가한 후, 회수율과 상대표준편차(relative standard deviation, RSD, %)를 측정하였다. 검출한계(Limit of detection, LOD)는 각 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, S/N ratio) 3배 이상인 농도로 계산하였으며, 정량한계는 각각 신호대비 잡음비가 10배 이상인 농도로 계산하였다. 또한, 신뢰성 재고를 위하여 실험실간 시험법 검증(inter-laboratory verification)을 수행하였다.
넙치, 장어, 새우 각각의 시료를 균질화하여 2g을 50 mL 폴리프로필렌 재질의 튜브에 취하고 추출용액 0.5% 개미산을 함유한 5% 메탄올 5 mL를 넣고 가볍게 진탕한 후 12,000 ×g, 4℃에서 약 10분간 원심분리 하였다.
콜리스틴 표준용액(50 μg/L)을 질량검출기에 직접 주입하여 cone voltage (10-50 V)를 조절하여 35 V에서 최대 강도를 나타내는 것을 확인 하였다. 선구이온(precursor ion)은 full scan mode 에서 질량 스펙트럼을 확인하여, 콜리스틴 A의 [M₁+2H]²⁺ (m/z 585), B의 [M₂+2H]²⁺ (m/z 578)형태의 이온의 peak를 확인 하였다. MS/MS 분석 시 collision cell에서의 energy를 조절하여 콜리스틴 A에서의 가장 높은 감도를 보이는 생성이온 m/z 101 ([α,γ-diaminobutyric acid-γ-NH₂]⁺)을 정량이온(quantification ion)으로 선택하고, 다음으로 크게 검출되는 두 개의 생성이온 m/z 202 ([α,γ-diaminobutyric acid-threonine-H]⁺), m/z 569 ([M₁+2H-H₂O]²⁺)을 정성이온(qualification ion)으로 설정하였다.
시험법을 검증하기 위해 식품 등 시험검사기관 A와 식품 등 시험검사기관 B를 선정하여 수행하였고, 대상시료는 시험법을 확립한 곳과 동일하게 넙치, 장어 및 새우에서 회수율 검증을 수행하였다. 수행 농도는 분석법 확립에 대한 CODEX의 식품 중 동물용 의약품 잔류분석법에 대한 가이드라인에 근거하여 진행하였으며, 재현성 검증을 위하여 5회 반복이상, 모든 기기분석 조건은 동일하게 진행하였다.
또한, 신뢰성 재고를 위하여 실험실간 시험법 검증(inter-laboratory verification)을 수행하였다. 시험법을 검증하기 위해 식품 등 시험검사기관 A와 식품 등 시험검사기관 B를 선정하여 수행하였고, 대상시료는 시험법을 확립한 곳과 동일하게 넙치, 장어 및 새우에서 회수율 검증을 수행하였다. 수행 농도는 분석법 확립에 대한 CODEX의 식품 중 동물용 의약품 잔류분석법에 대한 가이드라인에 근거하여 진행하였으며, 재현성 검증을 위하여 5회 반복이상, 모든 기기분석 조건은 동일하게 진행하였다.
시험법의 정확성을 평가하기 위하여 넙치, 장어, 새우에 처리농도를 잔류허용기준(MRL)의 0.5, 1, 2배 농도로 표준용액을 spiking하여 회수율 실험을 5회 반복으로 수행하여 정확성과 정밀성을 평가하였다. 그 결과 넙치, 장어 및 새우 시료에 대한 콜리스틴의 회수율과 정밀성은 92.
시험용액을 기기 분석 전 불순물을 한번 더 제거하기 위한 멤브레인 필터를 선택하기 위하여 분석에 가장 많이 쓰이는 4가지를 선정하여 회수율 실험을 수행하여 산/염기가 함유된 유기용매 정제에 가장 적합하고 감도가 가장 뛰어난 0.2 μm PTFE 멤브레인 필터를 선택하였다(Fig. 3).
하지만 개미산 수용액을 사용할 경우에는 전처리 과정 중 시료에 유화액(emulsion)이 생길 수 있기 때문에 전처리 과정이 어려워진다. 이 유화액 속의 모든 간섭 물질을 카트리지로 정제하였을 때 matrix effect가 크게 나타나지 않았기 때문에 0.5%개미산 용매에서 극성도는 최대한 높이고 비극성 간섭물질의 추출률을 비교적 낮추기 위해서 5%의 메탄올을 첨가하였다. 0.
5 μm, Dublin, Ireland)을 각각 사용하였다. 이동상 A는 암모늄 포메이트 : 개미산 : 물(1 : 2.5 : 497.5 = v/v/v), 이동상 B는 1% 개미산을 함유한 아세토니트릴을 선택하여 기울기 용리 방식을 선택하였다. 콜리스틴의 이온화법은 electro-spray ionization (ESI)법의 양이온모드(positive ion mode)로 MS조건을 최적화 하였으며, multiple reaction monitoring (MRM) 조건으로 분석하였다(Table 2).
이를 1% 개미산을 함유한 메탄올로 0.5, 0.75, 1.5, 3, 6, 12 mg/L 희석하여 시료에 각각 200 μL 첨가하여 시료전처리 과정과 동일하게 처리한 뒤 표준용액으로 준비하였다.
직선성은 혼합표준용액을 잔류허용기준 농도의 1/3, 1/2, 1, 2, 4, 8배가 되도록 시료전처리 과정과 동일하게 거친 시료액을 이용하여 LC-MS/MS에 주입하여 얻어진 피크면적으로 검량곡선을 작성하고 직선성을 구하였다. 정확성과 정밀성은 공시료에 잔류허용기준의 0.5, 1, 2배 농도로 표준용액을 첨가한 후, 회수율과 상대표준편차(relative standard deviation, RSD, %)를 측정하였다. 검출한계(Limit of detection, LOD)는 각 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, S/N ratio) 3배 이상인 농도로 계산하였으며, 정량한계는 각각 신호대비 잡음비가 10배 이상인 농도로 계산하였다.
에 따라서 직선성(linearity), 정확성(accuracy), 정밀성(precision), 정량한계(limit of quantification, LOQ)를 측정하여 유효성을 검증하였다. 직선성은 혼합표준용액을 잔류허용기준 농도의 1/3, 1/2, 1, 2, 4, 8배가 되도록 시료전처리 과정과 동일하게 거친 시료액을 이용하여 LC-MS/MS에 주입하여 얻어진 피크면적으로 검량곡선을 작성하고 직선성을 구하였다. 정확성과 정밀성은 공시료에 잔류허용기준의 0.
콜리스틴 B에서의 가장 높은 감도를 보이는 생성이온 m/z 101 ([α,γ-diaminobutyric acid-γ-NH2]+)을 정량이온으로 선택하고, 다음으로 크게 검출되는 두 개의 생성이온, m/z 227 ([6-methylheptanoic acid- α,γ-diaminobutyric acid-γ-NH2+H]+), m/z 576 ([M2+2H-H2O]2+)을 정성이온으로 설정 하였다(Fig. 2).
콜리스틴 분석법의 선택성, 특이성, 직선성을 검증하기 위해 넙치, 장어, 새우의 무처리 시료, 표준용액, 표준용액을 첨가한 회수율 시료의 크로마토그램을 서로 비교하였다(Fig. 4). 그 결과, 무처리 검체 중 콜리스틴(A+B)과 같은 머무름 시간을 갖는 어떤 방해물질도 검출되지 않았다.
콜리스틴 표준품을 15.89 mg을 정밀히 달아 100 mL 폴리프로필렌(polypropylene) 재질의 볼륨플라스크에 50% 메탄올로 정용하여, 100 mg/L 표준원액을 조제하였다. 이를 1% 개미산을 함유한 메탄올로 0.
5 = v/v/v), 이동상 B는 1% 개미산을 함유한 아세토니트릴을 선택하여 기울기 용리 방식을 선택하였다. 콜리스틴의 이온화법은 electro-spray ionization (ESI)법의 양이온모드(positive ion mode)로 MS조건을 최적화 하였으며, multiple reaction monitoring (MRM) 조건으로 분석하였다(Table 2).

대상 데이터

시중에서 유통되고 있는 시료를 껍질, 내장을 제거한 부위(근육)만을 분쇄하고 균질화 한 후, 분석 전까지 냉동고(−20℃)에 보관하였다. 공시료(blank)는 동일한 시험법을 거쳐 콜리스틴이 잔류되지 않음을 확인한 후 시험용 시료로 사용하였다.
또한, 식품공전의 정제과정에서 사용된 florisil 카트리지는 약한 염기성을 갖는 흡착제로 유기용매로부터 낮은 극성부터 중간 극성물질의 분석에 사용되기 때문에 분석물질인 콜리스틴과는 맞지 않는 시험법이라고 판단하였다. 본 연구를 통하여 시험법을 개선하고자 폴리펩타이드계인 콜리스틴의 특성¹⁷⁾을 고려하여 추출용매를 극성용매로 선택하였다. 콜리스틴이 수산물에 존재하는 경우 중 cell membrane 내 인지질에 단단히 결합되어있는 조직적 특성을 고려하여 단백질의 가수분해하여 침전시키는 역할을 하는 개미산을 선택 후 비율을 조절하여 0.
개미산(formic acid) 등 그 이외의 분석용 시약 및 용매는 특급 또는 분석용을 사용하였다. 시험용 시료는 수산물 섭취량과 소비량을 고려하였으며⁸⁾, 수산물의 지방함량 및 조직특성을 고려하여 갑각류(새우), 해수어(넙치), 담수어(장어)를 선정하였다. 시중에서 유통되고 있는 시료를 껍질, 내장을 제거한 부위(근육)만을 분쇄하고 균질화 한 후, 분석 전까지 냉동고(−20℃)에 보관하였다.
표준 원액과 표준용액은 폴리프로필렌재질용기에 담아 냉동보관(−20℃) 하였으며, 표준용액은 사용직전에 희석하여 실험에 사용하였다. 실험에 사용한 모든 시험용기는 폴리프로필렌 재질을 사용하였다.
Pharmacopeial (MD, USA)로부터 구입하여 사용하였다(Table 1). 아세토니트릴(acetonitrile), 메탄올(methanol)등은 Merck (Darmstadt, Germany)에서 HPLC 등급으로 구입하여 사용하였다. 또한, 고상추출 카트리지로 사용한 hydrophilic-lipophilic balance (HLB, 6cc, 200 mg)는 Waters(Oasis, MA, USA)에서 구입하여 사용하였다.
콜리스틴 분석을 위해 사용한 LC-MS/MS와 컬럼은 Waters 사의 US/Xevo TQ-S (Milford, MA, USA), X-SELECT C18(2.1 × 150 mm, 3.5 μm, Dublin, Ireland)을 각각 사용하였다.
콜리스틴 설페이트(colistin sulfate, 62.9%)의 표준품은 U.S.Pharmacopeial (MD, USA)로부터 구입하여 사용하였다(Table 1). 아세토니트릴(acetonitrile), 메탄올(methanol)등은 Merck (Darmstadt, Germany)에서 HPLC 등급으로 구입하여 사용하였다.

이론/모형

검출한계(Limit of detection, LOD)는 각 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, S/N ratio) 3배 이상인 농도로 계산하였으며, 정량한계는 각각 신호대비 잡음비가 10배 이상인 농도로 계산하였다. 또한, 신뢰성 재고를 위하여 실험실간 시험법 검증(inter-laboratory verification)을 수행하였다. 시험법을 검증하기 위해 식품 등 시험검사기관 A와 식품 등 시험검사기관 B를 선정하여 수행하였고, 대상시료는 시험법을 확립한 곳과 동일하게 넙치, 장어 및 새우에서 회수율 검증을 수행하였다.
35)에서는 LC-MS를 이용하여 분석하도록 고시되어 있지만, 수산물 시료의 복잡한 매트릭스(matrix)에서 콜리스틴 대상 물질의 존재 여부를 정확하고 낮은 농도의 정량한계 확보와 고감도 분석을 위해 LC-MS/MS를 선택하였다. 이온화법으로는 전기분무이온화(electro spray ionization, ESI) 방법으로 positive mode 조건으로 분석되었다. 콜리스틴은 평균 분자량이 1162 g/mol의 고분자 물질이지만, amine기(-NH₂)가 여러 개 붙어있고 Log P_ow값이 −2.

성능/효과

5, 1, 2배 농도로 표준용액을 spiking하여 회수율 실험을 5회 반복으로 수행하여 정확성과 정밀성을 평가하였다. 그 결과 넙치, 장어 및 새우 시료에 대한 콜리스틴의 회수율과 정밀성은 92.1~107%, 4.64~11.8%로 조사되어 정확성과 정밀성 모두 CAC 권장기준을 충족하며, 잔류동물용의약품 시험법의 적합성을 확인할 수 있었다(Table 5). 신뢰성과 재현성확보를 위해 실험실간 검증을 실시하였으며 직선성, 회수율과 정밀성을 평가한 결과 직선성은 모든 분석기관에서의 상관계수가 0.
4). 그 결과, 무처리 검체 중 콜리스틴(A+B)과 같은 머무름 시간을 갖는 어떤 방해물질도 검출되지 않았다. 따라서, 콜리스틴(A+B)을 분석하기 위한 본 시험법이 높은 분리능과 선택성을 가짐을 확인할 수 있었다.
그 결과, 무처리 검체 중 콜리스틴(A+B)과 같은 머무름 시간을 갖는 어떤 방해물질도 검출되지 않았다. 따라서, 콜리스틴(A+B)을 분석하기 위한 본 시험법이 높은 분리능과 선택성을 가짐을 확인할 수 있었다.
35) 축·수산물에 대한 콜리스틴 시험법은 아프라마이신과 동시분석법으로 적용하게 되어 있으나 수산물 시료에 적용하였을 경우, 전처리 과정에서 극성인 콜리스틴의 물질 특성을 만족하지 못한 채 아세토니트릴로 추출하여 농축 후 비극성인 용매로 재용해하는 과정으로 인하여 회수율이 낮은 결과를 보여주었다. 또한, 식품공전의 정제과정에서 사용된 florisil 카트리지는 약한 염기성을 갖는 흡착제로 유기용매로부터 낮은 극성부터 중간 극성물질의 분석에 사용되기 때문에 분석물질인 콜리스틴과는 맞지 않는 시험법이라고 판단하였다. 본 연구를 통하여 시험법을 개선하고자 폴리펩타이드계인 콜리스틴의 특성¹⁷⁾을 고려하여 추출용매를 극성용매로 선택하였다.
상관계수가 0.99 이상으로 Codex에서 권장하는 r2> 0.98와 비교해도 매우 만족할 만한 수준이었으며, 검출한계와 정량한계는 각각 0.02 mg/kg, 0.05 mg/kg이었다.
8%로 조사되어 정확성과 정밀성 모두 CAC 권장기준을 충족하며, 잔류동물용의약품 시험법의 적합성을 확인할 수 있었다(Table 5). 신뢰성과 재현성확보를 위해 실험실간 검증을 실시하였으며 직선성, 회수율과 정밀성을 평가한 결과 직선성은 모든 분석기관에서의 상관계수가 0.99이상으로 확인되었고, 전체 회수율 평균은 82.3~111% 이었으며, CV값은 0.18~9.91%로 모두 적합한 수준이었다(Table 6).
콜리스틴 표준용액(50 μg/L)을 질량검출기에 직접 주입하여 cone voltage (10-50 V)를 조절하여 35 V에서 최대 강도를 나타내는 것을 확인 하였다.
. 하지만 가장 유사한 Xu 등 (2012)의 연구결과와 비교하였을 때, 우수한 감도와 10% 이상 높은 회수율 및 상대적으로 낮은 상대표준편차를 얻을 수 있었고, 정량한계 또한 2배 적은 injection volume 으로도 유사한 수준의 정량성을 확보할 수 있었다.

후속연구

현 식품공전의 시험법은 수산물에 적용하였을 때, 분석 대상물질과 시험법이 맞지 않아 회수율이 낮았다. 따라서, 확립된 시험법을 통해 높은 회수율과 정확성 그리고 정량성을 확보하였고 콜리스틴 A, B 성분 모두를 관리하게 되면서 수산물 중 잔류할 수 있는 콜리스틴에 대한 안전관리에 활용 할 수 있을 것으로 사료되는 바이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LC-MS/MS를 이용하여 콜리스틴의 분석결과는?	LC-MS/MS를 이용하여 폴리펩타이드계 동물용의약품인 콜리스틴에 대한 시험법을 확립하여 정량성 및 정밀성을 확보하였으며, 확립된 시험법의 적용성 검증을 위해 국제식품규격위원회 기준에 따라 특이성, 정확성, 직선성, 정밀성, 검출한계, 정량한계 등을 검증하였다. 콜리스틴 표준용액을 잔류허용기준의 농도에 따라 검량선을 작성한 결과 0.99 이상의 직선성을 확인 할 수 있었으며, 본 실험에서의 평균 회수율은 85.9~107%이었다. 또한, 분석오차는 11.8% 이하로 정확성 및 재현성이 우수하였으며, 검출한계는 0.02 mg/kg, 정량한계는 0.05 mg/kg이었다. 또한, 실험실간 교차검증을 통하여 신뢰성을 확보하였다. 확립된 분석법은 양식 수산물 중 잔류할 수 있는 동물용의약품인 콜리스틴에 대한 안전관리에 활용 할 수 있을 것으로 판단된다.
	LC-MS/MS는 무슨 기준울 떠러 곰종했는가?	LC-MS/MS를 이용하여 폴리펩타이드계 동물용의약품인 콜리스틴에 대한 시험법을 확립하여 정량성 및 정밀성을 확보하였으며, 확립된 시험법의 적용성 검증을 위해 국제식품규격위원회 기준에 따라 특이성, 정확성, 직선성, 정밀성, 검출한계, 정량한계 등을 검증하였다. 콜리스틴 표준용액을 잔류허용기준의 농도에 따라 검량선을 작성한 결과 0.
	콜리스틴(Colistin)의 특징과 분류를 설명하시오.	콜리스틴(Colistin)은 폴리믹신 계열의 폴리펩타이드계 항균제로 Bacillus colistinus로 부터 1950년에 분리되어 발견되었으며, 콜리스틴 A(폴리믹신 E1)와 B(폴리믹신 E2)로 분류되어 있다1). 콜리스틴 A와 B는 구조적으로 지방산의 사슬 일부가 다른 형태로 구성되어 있다(Table 1).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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