同位素稀釋-電感耦合“冷”等離子體質(zhì)譜法準(zhǔn)確測(cè)定人血清中鉀、鈣、鎂的含量

陳　雪，王　軍，馮流星，楊曉進(jìn)

(1.北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，北京　100029；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京　100013)

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同位素稀釋-電感耦合“冷”等離子體質(zhì)譜法準(zhǔn)確測(cè)定人血清中鉀、鈣、鎂的含量

陳雪1，王軍2，馮流星2，楊曉進(jìn)1

(1.北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，北京100029；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京100013)

摘要：血清電解質(zhì)是骨骼和細(xì)胞健康的重要標(biāo)志物，常通過(guò)分析血清中K、Ca、Mg和Na含量來(lái)監(jiān)測(cè)其濃度水平的變化。本研究采用同位素稀釋-電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ID-ICP-MS)，結(jié)合“冷”等離子體和碰撞反應(yīng)池兩種模式，加入41K、42Ca和25Mg 3種濃縮同位素稀釋劑，同時(shí)測(cè)定了K、Ca和Mg含量。該方法省去了樣品前處理過(guò)程中繁瑣的基體分離步驟，消除了質(zhì)譜測(cè)量過(guò)程中Ar基分子離子的干擾，實(shí)現(xiàn)了人血清中K、Ca和Mg含量的準(zhǔn)確測(cè)定。通過(guò)測(cè)定NIST SRM956c冷凍人血清無(wú)機(jī)成分，分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中K、Ca和Mg含量，來(lái)驗(yàn)證該方法的可行性和準(zhǔn)確度，測(cè)得的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值一致。本方法可用于臨床研究中元素含量分析，也可用于生物基體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的定值。

關(guān)鍵詞：K；Ca；Mg；血清；同位素稀釋?zhuān)弧袄洹钡入x子體；電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)

doi：10.7538/zpxb.youxian.2015.0049

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015-11-16；網(wǎng)絡(luò)出版地址：http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.2979.TH.20151116.1348.004.html

Na、K、Cl、Ca、P、Mg 6種無(wú)機(jī)鹽占人體無(wú)機(jī)鹽總量的60%~80%，約占人體總質(zhì)量的5%[1]。體液中以離子狀態(tài)存在的無(wú)機(jī)鹽稱(chēng)為電解質(zhì)[2]，它在人體內(nèi)具有至關(guān)重要的作用，主要表現(xiàn)在維持滲透平衡、酸堿平衡及神經(jīng)和肌肉的正常功能等[3]。電解質(zhì)濃度水平過(guò)高或過(guò)低均可能引起人體生理功能障礙，進(jìn)而導(dǎo)致各種疾病。因此，準(zhǔn)確測(cè)定人血清中電解質(zhì)含量對(duì)臨床醫(yī)學(xué)具有重要的參考意義。

測(cè)定血清電解質(zhì)方法的相關(guān)報(bào)道很多，主要包括火焰原子發(fā)射光譜法(FAES)測(cè)定K，火焰原子吸收光譜法(FAAS)測(cè)定Ca和Mg，離子色譜法(IC)測(cè)定K、Ca、Mg和Na[4]，以及電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)測(cè)定K和Ca等[5]。但這些方法在實(shí)際樣品分析中都存在一定的不足，例如：采用FAES法時(shí)，樣品基體組分對(duì)譜線(xiàn)強(qiáng)度的影響較為顯著，尤其當(dāng)待測(cè)元素含量較高時(shí)，測(cè)量準(zhǔn)確度較差；FAAS法的線(xiàn)性范圍較窄，不易消除基體干擾，并且測(cè)定不同的元素需更換不同的光源，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多元素的同時(shí)測(cè)定[6]；采用IC法測(cè)定前，樣品通常需干灰化處理，操作過(guò)程繁瑣耗時(shí)[6]。近年來(lái)，電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)因其靈敏度高、檢測(cè)限低、可實(shí)現(xiàn)多元素同時(shí)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，受到研究者的廣泛關(guān)注。應(yīng)用ICP-MS法測(cè)量同位素豐度比值的研究屢見(jiàn)不鮮，許多國(guó)家計(jì)量院均采用同位素稀釋-電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ID-ICP-MS)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行定值，如NIST冷凍人血清電解質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)SRM956c中Li、K、Ca和Mg的定值，歐盟冷凍人血清參考物質(zhì)ERM-DA 250和ERM-DA 251中Mg的定值[5]。早在1995年的國(guó)際計(jì)量委員會(huì)—物質(zhì)量咨詢(xún)委員會(huì)(CIPM-CCQM)會(huì)議上，就確認(rèn)了包括同位素稀釋質(zhì)譜法(IDMS)在內(nèi)的5種方法具有最高計(jì)量學(xué)特性，測(cè)量結(jié)果可直接溯源到國(guó)際單位mol、kg。IDMS相對(duì)于傳統(tǒng)的定量方法有兩大優(yōu)勢(shì)：第一，IDMS是把樣品中某一元素的化學(xué)測(cè)量轉(zhuǎn)化為同位素質(zhì)譜的豐度比測(cè)量，混合樣品采用精密天平稱(chēng)量，該方法既具有同位素質(zhì)譜的高精度，同時(shí)也兼顧天平稱(chēng)量質(zhì)量的準(zhǔn)確度[7]；第二，由于測(cè)量的是同位素信號(hào)比值而非濃度，一旦稀釋劑和待測(cè)元素混合均勻，很少受到元素分離、濃縮、轉(zhuǎn)移等過(guò)程的干擾。

雖然ICP-MS技術(shù)在元素分析中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但由于電感耦合等離子體產(chǎn)生的高溫幾乎使所處環(huán)境下的所有原子和分子發(fā)生電離，由同量異位素、基體以及在高溫、高壓條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成的分子離子引起的干擾問(wèn)題始終困擾著ICP-MS分析工作者。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，ID-ICP-MS測(cè)定K和Ca的主要挑戰(zhàn)源于分子離子38Ar1H+、40Ar+和40Ar1H+對(duì)39K+、40Ca+和41K+的干擾；其次，K、Ca和Mg為環(huán)境中的常量元素，流程空白的準(zhǔn)確測(cè)量同樣需要引起重視。雖然高分辨質(zhì)譜儀器內(nèi)在的高分辨能力可以解決一些質(zhì)譜干擾問(wèn)題[8]，但文獻(xiàn)[9]中明確提出了對(duì)于42Ca+和44Ca+的干擾仍主要源自分子離子。Yu等[3]報(bào)道了當(dāng)最小分辨率為2 687、2 735和5 688時(shí)，可消除28Si16O+對(duì)44Ca+、48Ca++對(duì)24Mg+和38Ar1H+、40Ar1H+對(duì)39K+、41K+的質(zhì)譜干擾，但84Sr++和88Sr++對(duì)42Ca+和44Ca+的干擾即使在最高分辨率(約10 000)時(shí)仍無(wú)法消除。Becker等[10]發(fā)現(xiàn)，在測(cè)量100 μg/L 的SRM985分析用K同位素標(biāo)準(zhǔn)溶液時(shí)，41K/39K值比標(biāo)準(zhǔn)值高2.3%，經(jīng)分析歸因于測(cè)量過(guò)程中41K+與40Ar1H+分離不徹底。因?yàn)楦叻直尜|(zhì)譜儀不能解決質(zhì)譜干擾問(wèn)題，隨著四極桿質(zhì)譜儀的不斷改進(jìn)與發(fā)展，研究者試圖通過(guò)改變等離子體源的電離條件，比如“冷”等離子體技術(shù)，來(lái)消除多原子質(zhì)譜干擾問(wèn)題。此外，碰撞反應(yīng)池技術(shù)的提出，也提高了消除多元素干擾和復(fù)雜基質(zhì)樣品的質(zhì)譜干擾功能。Murphy等[11]建立了在“冷”等離子體條件下，準(zhǔn)確測(cè)定K和Ca含量的同位素稀釋質(zhì)譜法，并且采用所建立的方法對(duì)牡蠣組織標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)SRM1566b中的K和Ca含量進(jìn)行定值以及參與國(guó)際比對(duì)CCQM-P14關(guān)于血清中Ca含量的測(cè)定。測(cè)量結(jié)果顯示，在“冷”等離子體模式下，不但目標(biāo)監(jiān)測(cè)同位素離子的分子離子干擾能夠減小到低于1 000，而且39K/41K和40Ca/42Ca比值的5次平行測(cè)量結(jié)果的RSD均小于2%。

鑒于應(yīng)用四極桿等離子體質(zhì)譜測(cè)定K、Ca和Mg的報(bào)道中涉及消除分子離子干擾的研究較少，本工作擬采用四極桿質(zhì)譜儀，通過(guò)“冷”等離子體和碰撞反應(yīng)池兩種模式相結(jié)合的方法，同時(shí)加入41K、42Ca和25Mg 3種濃縮同位素稀釋劑，同時(shí)測(cè)定K、Ca和Mg的含量，來(lái)消除血清基體和Ar基分子離子引起的干擾，希望實(shí)現(xiàn)人血清中K、Ca和Mg含量的準(zhǔn)確測(cè)定。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器、試劑與樣品

安捷倫7700x型ICP-MS儀：美國(guó)Agilent公司產(chǎn)品；Multiwave 3000型微波消解儀：奧地利Anton Paar有限公司產(chǎn)品，配備hf-100型聚四氟乙烯消解罐；Toledo XP205型分析天平：瑞士Mettler公司產(chǎn)品；Mill-Q水系統(tǒng)：美國(guó) Millipore公司產(chǎn)品。

41KCl、42CaO、25MgO：由中國(guó)原子能科學(xué)研究院提供；K(GBW(E)082164)、Ca(GBW(E)082165)、Mg(GBW(E)080126)單元素溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院提供；冷凍人血清電解質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)NIST SRM956c：由美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所研制；消解血清用的硝酸經(jīng)亞沸蒸餾方法提純。

1.2樣品前處理

實(shí)驗(yàn)在100級(jí)超凈實(shí)驗(yàn)臺(tái)中完成。實(shí)驗(yàn)所用燒杯、滴管等均為石英材質(zhì)，經(jīng)亞沸蒸餾提純的HNO3浸泡2次，每次12 h，再經(jīng)Mill-Q水沖洗2次，烘干備用。

1.2.1稀釋劑制備分別取適量41KCl、42CaO、25MgO溶解于亞沸蒸餾提純的2% HNO3中，于室溫下穩(wěn)定30 min后，轉(zhuǎn)移定容至適當(dāng)濃度，備用。

采用IDMS標(biāo)定濃縮41K、42Ca和25Mg同位素稀釋劑溶液，用精密天平準(zhǔn)確稱(chēng)取濃縮41K、42Ca和25Mg同位素稀釋劑溶液，與天然K、Ca、和Mg標(biāo)準(zhǔn)溶液混合，用亞沸蒸餾提純的2%HNO3稀釋至適當(dāng)濃度。

1.2.2血清樣品將消解血清樣品在室溫下解凍并穩(wěn)定2 h，搖勻備用。同樣，按照IDMS測(cè)量要求的稀釋比例，利用精密天平準(zhǔn)確稱(chēng)取血清和濃縮41K、42Ca和25Mg同位素稀釋劑溶液，使39K/41K、42Ca/44Ca和24Mg/25Mg比值在1~2范圍內(nèi)；然后混合于聚四氟乙烯消解罐中，加入6 mL亞沸蒸餾提純的HNO3進(jìn)行消解，消解參數(shù)列于表1；消解結(jié)束后，血清樣品用Mill-Q水稀釋至適當(dāng)濃度，待測(cè)。

表1　血清樣品微波消解參數(shù)

1.2.3流程空白和質(zhì)量偏移校正溶液取少量濃縮41K、42Ca和25Mg同位素稀釋劑溶液于聚四氟乙烯消解罐中，加入6 mL亞沸蒸餾提純的HNO3，與血清樣品共同置于消解儀中進(jìn)行消解。消解結(jié)束后，用Mill-Q水稀釋至適當(dāng)濃度，即得流程空白溶液。

取適量的天然K、Ca和Mg標(biāo)準(zhǔn)混合溶液，用亞沸蒸餾提純的2%HNO3稀釋至適當(dāng)濃度，作為質(zhì)量偏移校正溶液，備用。

1.3樣品分析

ICP-MS儀器工作參數(shù)列于表2，樣品測(cè)量結(jié)果均經(jīng)質(zhì)量偏移和儀器漂移校正。首先測(cè)定質(zhì)量偏移校正溶液，將測(cè)得的39K/41K、42Ca/44Ca和24Mg/25Mg比值與其天然豐度下的比值進(jìn)行比對(duì)，得到質(zhì)量偏移校正因子；然后采用該比值校正測(cè)量得到的稀釋劑標(biāo)定溶液和待測(cè)樣品的39K/41K、42Ca/44Ca和24Mg/25Mg比值。異于分析伊始建立的質(zhì)量偏移因子的任何變化都認(rèn)為是儀器漂移。在假設(shè)儀器漂移與時(shí)間呈線(xiàn)性相關(guān)的前提下，每3個(gè)樣品間穿插測(cè)量1次質(zhì)量偏移校正溶液。

表2　ICP-MS儀器工作參數(shù)

2結(jié)果與討論

2.1消除質(zhì)譜干擾

注：■ 5.5 mL/min；● 6.0 mL/min；▲ 6.5 mL/min圖1　不同H2流速下，39K/41K(a)、42Ca/44Ca(b)和24Mg/25Mg(c)比值隨ICP功率變化圖Fig.1　Changes of39K/41K (a),42Ca/44Ca (b) and24Mg/25Mg (c) isotope ratios at different H2flow and ICP power

由圖1可以看出，隨著ICP功率的增大，39K/41K和24Mg/25Mg的同位素比值測(cè)量結(jié)果大體上呈先增后減的趨勢(shì)，而42Ca/44Ca的同位素比值測(cè)量結(jié)果則呈先減后增的趨勢(shì)。圖1中，當(dāng)ICP功率為750 W，H2流速為6.0 mL/min或6.5 mL/min時(shí)，同位素比值的測(cè)量結(jié)果與天然標(biāo)準(zhǔn)溶液中的理論豐度比值基本一致，但當(dāng)H2流速為6.5 mL/min時(shí)，各個(gè)監(jiān)測(cè)離子的信號(hào)強(qiáng)度比流速為6.0 mL/min時(shí)有明顯降低。因此，綜合考慮各因素，測(cè)量人血清中K、Ca和Mg含量時(shí)，選定的最佳ICP功率為750 W，H2流速為6.0 mL/min。

本研究對(duì)比分析了在“冷”等離子體(射頻功率750 W，H2碰撞氣流速6.0 mL/min)和常等離子體(射頻功率1 500 W，H2碰撞氣流速7.0 mL/min)兩種模式下，測(cè)定同一質(zhì)量偏移校正溶液得到的39K/41K、42Ca/44Ca和24Mg/25Mg比值(5次測(cè)量平均值)，其結(jié)果列于表3。由表3可以看出，在常等離子體模式下，即使設(shè)置了較高的H2碰撞氣流速(7.0 mL/min)，得到的39K/41K、42Ca/44Ca和24Mg/25Mg比值的測(cè)量結(jié)果仍然與天然豐度比值偏差較大。其中，39K/41K比值遠(yuǎn)小于天然豐度比值，顯然是由于40Ar1H+對(duì)41K+產(chǎn)生了嚴(yán)重干擾，說(shuō)明單純利用碰撞反應(yīng)池模式來(lái)消除Ar基分子離子產(chǎn)生的干擾效果并不顯著。而在“冷”等離子體模式下，盡管H2碰撞氣流速(6.0 mL/min)有所降低，但得到的39K/41K、42Ca/44Ca和24Mg/25Mg比值的測(cè)量結(jié)果與天然豐度比值更加接近。

表3　“冷”等離子體和常等離子體模式下，39K/41K、

在本實(shí)驗(yàn)中，質(zhì)量偏移校正溶液為K、Ca和Mg混合溶液，稀釋劑標(biāo)定溶液為天然K、Ca、Mg和濃縮41K、42Ca、25Mg同位素稀釋劑混合溶液。血清樣品經(jīng)微波消解后，無(wú)機(jī)組成與質(zhì)量偏移和稀釋劑標(biāo)定溶液基本類(lèi)似。因此在“冷”等離子體模式下，測(cè)量上述校正溶液對(duì)后續(xù)分析樣品進(jìn)行質(zhì)量偏移和儀器漂移校正，既避免了目標(biāo)分析物基體分離純化的復(fù)雜操作，又實(shí)現(xiàn)了樣品基體對(duì)結(jié)果干擾的消除。此外，Murphy等[11]和Patterson等[14]都明確提到在“冷”等離子體模式下未檢測(cè)到Sr++。本工作在Ca測(cè)量過(guò)程中同樣未出現(xiàn)此干擾，測(cè)量結(jié)果令人滿(mǎn)意。

2.2標(biāo)定稀釋劑濃度

測(cè)量樣品前，需要標(biāo)定濃縮41K、42Ca和25Mg同位素稀釋劑溶液濃度。主要有如下兩方面原因：第一，存在蒸發(fā)或吸附作用，導(dǎo)致濃縮同位素稀釋劑溶液濃度發(fā)生變化的可能性；第二，測(cè)量前對(duì)儀器工作參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果因時(shí)而異，儀器的質(zhì)量偏移會(huì)有顯著差異。若稀釋劑標(biāo)定溶液和分析樣品在同一條件下進(jìn)行測(cè)量，將最小化地引入質(zhì)量偏移校正不確定度，同時(shí)也只需考慮平行樣品間的儀器漂移。此外，稀釋劑標(biāo)定溶液是按照分析樣品的同位素組成比例配制而成，減少了對(duì)檢測(cè)器死時(shí)間校正的不確定度。

實(shí)驗(yàn)中，稀釋劑標(biāo)定溶液采用重量法配制，共有5個(gè)平行樣品。用于血清中K、Ca和Mg分析的濃縮41K、42Ca和25Mg同位素稀釋劑溶液濃度標(biāo)定，結(jié)果列于表4。

表4　濃縮41K、42Ca和25Mg

2.3流程空白

流程空白共有3個(gè)平行樣品，其中K、Ca和Mg的測(cè)量結(jié)果列于表5。從表5可以看出，流程空白中，K、Ca和Mg含量的3次測(cè)量結(jié)果存在一定偏差，可能是由于K、Ca和Mg為環(huán)境中常量元素，儀器中存在一定量的殘留。

表5　流程空白測(cè)量結(jié)果(ng/kg)

2.4測(cè)量結(jié)果

“冷”等離子體測(cè)量冷凍人血清電解質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)NIST SRM956c中K、Ca和Mg的結(jié)果列于表6。測(cè)量NIST SRM956c Level 2五個(gè)平行樣品中Ca、Mg和K的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值符合良好。Murphy等[11]認(rèn)為，采用“冷”等離子體模式能夠有效地將由Ar基引起的嚴(yán)重干擾目標(biāo)分析物的分子離子信號(hào)強(qiáng)度降低到1 000，但基體干擾則需要通過(guò)離子交換樹(shù)脂分離實(shí)現(xiàn)。前期研究[15]表明，碰撞反應(yīng)池ID-ICP-MS測(cè)量血清中Ca時(shí)，采用消解-稀釋和消解-分離Ca-稀釋兩種化學(xué)前處理方法的測(cè)量結(jié)果沒(méi)有顯著差異。鑒于本實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值具有良好的相符性，表明本工作在碰撞反應(yīng)池模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合“冷”等離子體模式同時(shí)加入41K、42Ca和25Mg 3種濃縮同位素稀釋劑，且同時(shí)測(cè)定人血清中K、Ca和Mg的方法體系，可實(shí)現(xiàn)在不進(jìn)行樹(shù)脂分離的前提下，消除分子離子38Ar1H+、40Ar+和40Ar1H+對(duì)39K+、40Ca+和41K+的干擾，準(zhǔn)確測(cè)定人血清中K、Ca和Mg含量。

表6　人血清標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)NIST SRM956c Level 2中K、

注：NIST SRM956c中K、Ca和Mg的標(biāo)準(zhǔn)值分別為(3.977±0.034) mmol/L、(2.538±0.016) mmol/L、(0.857±0.010) mmol/L

3結(jié)論

本工作采用同位素稀釋-電感耦合“冷”等離子體質(zhì)譜結(jié)合碰撞反應(yīng)池模式，同時(shí)加入41K、42Ca和25Mg 3種濃縮同位素稀釋劑，且同時(shí)測(cè)定了K、Ca和Mg含量。該方法既能夠很好的避免樣品基體對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，又能夠有效地消除分子離子38Ar1H+、40Ar+和40Ar1H+對(duì)39K+、40Ca+和41K+的干擾，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確測(cè)定人血清中K、Ca和Mg含量。本方法可用于臨床研究中元素含量分析，也可應(yīng)用于生物基體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的定值，為保障臨床檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比性提供研究基礎(chǔ)。

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Accurate Determination of K, Ca and Mg in Human Serum

by Isotope Dilution Inductively Coupled “Cold” Plasma Mass Spectrometry

CHEN Xue1, WANG Jun2, FENG Liu-xing2, YANG Xiao-jin1

(1.CollegeofChemicalEngineering,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029,China;

2.NationalInstituteofMetrology,Beijing100013,China)

Abstract:Electrolytes in serum are important biomarkers for skeletal and cellular health. The levels of electrolytes are monitored by measuring the K, Ca, Mg and Na in blood serum. An accurate method for the determination of K, Ca and Mg in serum by taking advantage of the “cold” plasma mode and collision reaction cell of the isotope dilution-inductively coupled plasma mass spectrometry (ID-ICP-MS) was developed. The three kinds isotope of41K,42Ca and25Mg were added at the same time, while the contents of K, Ca and Mg were also measured. The proposed method can eliminate the need for a slow and tedious sample digestion procedure, and also can avoid the molecular ions interference. The national institute of standards and technology standard reference material 956c inorganic components in frozen human serum was analyzed by the method, and the measured elements values were in good accord with the standard values.

Key words：K; Ca; Mg; serum; isotope dilution; “cold” plasma; isotope dilution-inductively coupled plasma mass spectrometry(ICP-MS)

通信作者：王軍(1965—)，女(漢族)，遼寧人，研究員，從事化學(xué)計(jì)量和同位素質(zhì)譜分析研究。E-mail: wangjun@nim.ac.cn

作者簡(jiǎn)介：陳雪(1990—)，女(漢族)，北京人，碩士研究生，環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)。E-mail: yitiantang0129@126.com

基金項(xiàng)目：科技部基礎(chǔ)性專(zhuān)項(xiàng)(2011FY130100)資助

收稿日期：2015-03-25;修回日期：2015-06-02

中圖分類(lèi)號(hào)：O657.63

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-2997(2016)01-0031-06