等离子体发射光谱仪分类与全谱直读一词解析

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全谱直读等离子体发射光谱仪的检测原理

全谱直读等离子体发射光谱仪的检测原理全谱直读等离子体发射光谱仪是一种广泛应用于材料分析的仪器。

它能够通过检测物质中的元素，来判断样品组成、结构、质量和化学性质等方面的信息。

本文将对全谱直读等离子体发射光谱仪的检测原理和技术特点进行详细的介绍。

1.基本原理全谱直读等离子体发射光谱仪（ICP-OES）是一种利用高温等离子体激发原子和离子发射的光谱分析仪器。

其基本原理为：将样品中的物质喷入等离子体火焰中，通过电磁场激发产生的等离子体在高温、高压和高电场作用下，使样品中的元素被激发至高能态，进而自发地辐射出特定波长的光线。

这些光线被检测器接收并转换成电信号后，通过信号处理和数据分析得到各元素的含量信息。

2.检测技术特点（1）元素范围广ICP-OES能够同时测量元素周期表中大部分元素，其谱线测量范围广达170~950 nm，可涵盖近全部的元素，可以对各种无机物、有机物、生物及环境样品进行测定。

（2）灵敏度高ICP-OES测定灵敏度很高，可达ng/mL级，对微量元素的测定具有很高的精度和准确性，尤其对于有毒元素、稀土元素等微量元素的测定，ICP-OES具有很明显的优势。

（3）测定准确度高ICP-OES测定准确度高，分析数据性能稳定，最小探测限一般能达到ppb级，对于同时测量多种元素样品，在准确性和精密度上均能得到良好的保障。

（4）无破坏性测定ICP-OES测定采用无破坏性测定技术，所需样品量少，简便易行，可在非常短的时间内进行多元素分析。

3.技术流程与实现（1）样品制备样品制备工作直接影响到ICP-OES检测结果的准确性。

样品制备过程主要包括样品的采集、处理和预处理等环节。

样品采集和处理的目的主要是消除干扰，保证ICP-OES的检测结果的准确性和可靠性。

（2）元素分析ICP-OES的元素分析工作主要包括样品的喷雾进样、等离子体的激发和离子化、能量转换与生成元素分析信号和检测仪器的信号处理与数据分析。

（3）结果分析ICP-OES将检测结果转换成电信号，进而通过信号处理和数据分析得到样品中元素的含量信息。

Varian 720ES 直读等离子发射光谱仪介绍

• SVS1 Switching Valve System for greater productivity (option for 720/725)
Varian ICP-OES 优异的性能
¾超强的分析性能 ¾极高的工作效率 ¾灵活的操作模式
¾全新全谱直读,固态检测器 ICP-OES 光谱仪
Varian 700ES是真正的全谱直读等离子体发射光谱仪－稳定、可靠、准确
• 全波长连续覆盖，优秀的检测限－覆盖96％以上可分析谱线。
• 操作方便，工作效率高－点火10分钟后即能稳定地分析样品。
•运行成本低－单色器吹扫30分钟后，即能分析s、p低紫外区谱线。
Vista 720系列 ICP-OES
Varian720系列 ICP-OES 采用CCD检测器的真正全谱直读等离子体发射光谱仪，并开发和应用更多的新技术，能够实现如下功能： 1、波长连续覆盖无断点，实现各波长灵活选择，有效避开光谱干扰； 2、具有非常快的分析速度，通过一次测
• Low gas consumption • High efficiency 40 MHz RF generator • Cooled-Cone Interface (CCI) displaces
cooler tail of plasma – Increases linear dynamic range
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光学系统的特点
采用计算机最优化设计的集成化、台式中阶梯光栅光谱仪光学系统：
光学分辨率（半峰宽）：<0.007nm@200nm 光室密封，减少杂散光，增加了系统的坚固程度整个光学系统恒温在+35oC，增强了光路的稳定性中阶梯光栅： 94.74 线/mm 焦距400mm CaF2 棱镜交叉色散，保证190nm以下有最好的灵敏度：闪耀角9o 48’

等离子体-原子发射光谱总结

2、谱线呈现法
谱线强度与元素的含量有关。元素含量低时，
仅出现少数灵敏线，随元素含量增加，谱线随之出现。可编成一张谱线出现与含量关系表，依此估计试样中该元素的大致含量。
例如，铅的光谱 Pb含量（%）谱线λ(nm) 0.001 0.003 0.01 0.1 1.0 3 10 283.3069清晰可见，261.4178和280.200很弱 283.306、261.4178增强，280.200清晰上述谱线增强，另增266.317和278.332，但不太明显。上述谱线增强，无新谱线出现上述谱线增强，214.095、244.383、244.62出现，241.77模糊上述谱线增强，出现322.05、233.242模糊可见上述谱线增强，242.664和239.960模糊可见
特征谱线检验，称其为分析线。一般是灵敏线或最后线。
自吸:由弧焰中心发射出来的辐射光，被外围的基态原子所吸收，从而降低了谱线的强度。此现象叫自吸。
自蚀：自吸严重时，中心部分的谱线这个现象叫自蚀。
将被吸收
很多，从而使原来的一条谱线分裂成两条谱线，
2. 定性方法标准试样光谱比较法
铁光谱比较法：最常用的方法，以铁谱作为标准(波长标尺)。
将上式取对数，得：
lgI=lga+blgc 谱线强度的对数与被测元素浓度的对数具有线性关系。
2. 内标法基本关系式
影响谱线强度因素较多，直接测定谱线绝对强度计算难以获得准确结果，实际工作多采用内标法（相对强度法）。在被测元素的光谱中选择一条作为分析线 ( 强度 I1) ，再选择内标物的一条谱线(强度I2)，组成分析线对。则：
第五章等离子体-原子发射光谱
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原子发射光谱分析法

04 等离子体原子发射光谱

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ICP光谱仪的发展
后全谱直读时代全谱直读单道+多通道多通道单道扫描摄谱仪
全谱直读开机即用
中阶梯光栅+固体检测器
凹面光栅+光电倍增管直读，但不能同时测量背景，不是全谱平面光栅+光电倍增管直读，但不能同时测量背景，不是全谱
平面光栅+相板（1970）
全谱，但不能直读
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3. AES特点 1）多元素检测(multi-element); 2）分析速度快: 多元素检测; 可直接进样; 固、液样品均可 3）选择性好：Nb与Ta；Zr与Ha，Rare-elements; 4）检出限低：10-0.1µg/g(µg/mL); ICP-AES可达ng/mL级; 5）准确度高：一般5-10%，ICP可达1%以下; 6）所需试样量少； 7） ICP-AES性能优越：线性范围宽(linear range) 4～6数量级，可测高、中、低不同含量试样；
研究范围
稀薄气体状态的原子
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2.原子光谱的发展历史
物质燃烧会发光，火药是我国四大发明之一焰火—— 物质原子的发年代
Kirchhoff G.R. Bunsen R.W. 《利用光谱观察的化学分析》奠定原子发射光谱定性分析基础
利用分光镜研究盐和盐溶液在火焰中加热时所产生的特征光辐射，从而发现了Rb （铷）和Cs（铯）两元素
美国瓦里安技术中国有限公司(VARIAN)
技术参数 1.波长范围：175785nm波长连续覆盖，完全无断点 2.RF发生器频率： 40.68MHz 3.信号稳定性： ≤1%RSD 4.杂散光：〈2.0ppm As 5.完成EPA 22个元素系列测定时间小于 5分钟
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等离子体发射光谱仪

等离子体发射光谱仪一、仪器类型：全谱直读型台式ICP光谱仪，需配外置冷却水循环系统仪器工作环境电压：220VAC±10%室温： 15-30℃相对湿度：20%-80%二、技术参数1.光学系统：全新竖式光室设计，全封闭驱气型，采用精密温控恒温系统，高能量中阶梯光栅石英棱镜交叉色散内光路，波长和级次二维色散，所有光学元件均使用全反射球面镜，保证高光通量和低图象失真。

1.1光栅：采用超高分辨干涉刻制技术，52.91条/mm，63.5︒闪耀角1.2棱镜：交叉色散，采用双通过设计确保成像质量，9.5︒角，超纯紫外熔融石英1.3波长覆盖：166-847nm全波长覆盖，Al 167.120nm测试可获得更高紫外灵敏度，对于K 766.490nm 和Na 818.326nm长波同样性能优异1.4焦距：383nm，紧凑型光室1.5分辨率：0.007nm在200nm处的光学分辨率，（分辨率和下面的检出限须在相同条件获得） *1.6光路：驱气型光室，驱气量0-2L/分钟；外光路设计，对于垂直炬可选择观测高度，对于双向炬可选择观测方式*1.7波长校准：采用C、N和Ar线自动波长校准程序，确保长期波长稳定性，无需使用标准溶液，方便快捷*1.8光室恒温：38±0.1℃精密光室恒温，恒温速度小于20分钟*2检测器：带高效半导体制冷的电荷注入式检测器（CID）成像系统。

可对分析范围内的所有波长进行定性定量，无电荷溢出现象。

*2.1检测器模式：随机读取积分（RAI），非破坏性读取(NDRO)。

2.2阵列尺寸：291,600个独立寻址检测单元，540×540阵列连续覆盖所有可用波长2.3像数尺寸：27×27um2.4量子化效率：目前ICP最高的量子化效率65-88%2.5石英窗：前置成角度封闭式石英窗，提高CID可靠性并降低杂散光2.6检测器冷却：高效三级半导体制冷，制冷温度-45℃，冷却时间小于3分钟，气体和冷却水安全连锁。

电感耦合等离子体发射光谱法

1100
4)对非金属元素，如C、O、N、卤素无法检测。 5)一些元素如P、S、Se、Te等元素激发电位高，
灵敏度较低。 7)仪器比较昂贵。
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ICP-AES仪器组成
ICP光源进样装置分光器检测器：光电倍增管和固态成像器件数据处理系统：计算机、仪器控制和数据处理
软件
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ICP光源：高频发生器、炬管、高频感应线圈
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对气溶胶产生缓冲作用，消除压力的波动和脉冲适宜分析的气溶胶导入ICP
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雾室 – 双通道（筒形）
雾化器过来的气溶胶
气溶胶雾气到炬管
排液 25
雾室 – 单通道（梨形）
雾化器过来的气溶胶
排液
扰流器
气溶胶到炬管
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气旋式雾化器室
气溶胶到炬管
雾化器
排液
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分光系统
分光：用光谱仪器把光源发射的光分解为按波长排列的光谱，也叫色散
ICP光源作用：试样蒸发、解离、原子化、激发、跃迁产生光辐射
原理：当高频发生器接通电源后，高
频电流I通过感应线圈产生交变磁场(绿
色)。开始时，管内为Ar气，不导电，
需要用高压电火花触发，使气体电离
后，在高频电磁场的作用下，带电粒
子高速运动，碰撞，形成“雪崩”式
放电，产生等离子体气流。在垂直于
磁场方向将产生感应电流（涡电流，
入射狭缝、分光元件、光学镜片、出射狭缝分光元件: 光栅
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么么么么方面
Sds绝对是假的
检测系统
照相法-感光板光电检测法-以光电倍增管或电荷耦合器件（CCD）作为接收与记录光谱的主要器件。
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一、感光板由照相乳剂均匀涂在玻璃板上而成。测量感光板

ICP电感耦合等离子体发射光谱仪-ICAP6300光谱仪原理解析

ICP电感耦合等离子体发射光谱仪-ICAP6300光谱仪原理及使用说明书赞(1发布人：上海铸金分析仪器有限公司2014-11-08 11:32:48ICP电感耦合等离子体发射光谱仪-ICAP6300光谱仪原理及使用说明书一、ICP电感耦合等离子体发射光谱仪-ICAP6300光谱仪工作原理和结构（一）、ICP电感耦合等离子体发射光谱仪-ICAP6300光谱仪工作原理：ICP（即电感耦合等离子体）是由高频电流经感应线圈产生高频电磁场，使工作气体（Ar）电离形成火焰状放电高温等离子体，等离子体的最高温度10000K。

试样溶液通过进样毛细管经蠕动泵作用进入雾化器雾化形成气溶胶，由载气引入高温等离子体，进行蒸发、原子化、激发、电离，并产生辐射，光源经过采光管进入狭缝、反光镜、棱镜、中阶梯光栅、准直镜形成二维光谱，谱线以光斑形式落在540×540个像素的CID检测器上，每个光斑覆盖几个像素，光谱仪通过测量落在像素上的光量子数来测量元素浓度。

光量子数信号通过电路转换为数字信号通过电脑显示和打印机打印出结果。

（二）、ICP电感耦合等离子体发射光谱仪-ICAP6300光谱仪的结构ICP-AES由高频发生器、蠕动泵进样系统、光源、分光系统、检测器（CID）、冷却系统、数据处理等组成。

ICP光谱仪结构示意图：二、ICP电感耦合等离子体发射光谱仪-ICAP6300光谱仪操作规程（一）．开机预热（若仪器一直处于开机状态，应保持计算机同时处于开机状态）1．确认有足够的氩气用于连续工作（储量≥1瓶）。

2．确认废液收集桶有足够的空间用于收集废液。

3．打开稳压电源开关，检查电源是否稳定，观察约1分钟。

4．打开氩气并调节分压在0.60—0.65Mpa之间。

保证仪器驱气1小时以上。

5．打开计算机。

6．若仪器处于停机状态，打开主机电源。

仪器开始预热。

7．待仪器自检完成后，启动iTEVA软件，双击“iTEVA” 图标，进入操作软件主界面,仪器开始初始化。

等离子发射光谱仪

等离子发射光谱仪等离子体（Plasma）在近代物理学中是一个很普通的概念，是一种在一定程度上被电离（电离度大于0.1%）的气体，其中电子和阳离子的浓度处于平衡状态，宏观上呈电中性的物质。

介绍：矩管外高频线圈产生高频电磁场，高纯氩气在高频电磁场中失去电子，该电子轰击待测样品，样品的各元素产生跃迁，发射出具有一定的特征谱线的光。

通过检测器探测这种特征谱线并检测其强度，可以定性分析元素和定量计算该元素的浓度。

性能特征：电感耦合等离子体（ICP）是由高频电流经感应线圈产生高频电磁场，使工作气体形成等离子体，并呈现火焰状放电（等离子体焰炬），达到10000K的高温，是一个具有良好的蒸发－原子化－激发－电离性能的光谱光源。

而且由于这种等离子体焰炬呈环状结构，有利于从等离子体中心通道进样并维持火焰的稳定；较低的载气流速（低于1L/min）便可穿透ICP，使样品在中心通道停留时间达2～3ms，可完全蒸发、原子化；ICP环状结构的中心通道的高温，高于任何火焰或电弧火花的温度，是原子、离子的最佳激发温度，分析物在中心通道内被间接加热，对ICP放电性质影响小；ICP光源又是一种光薄的光源，自吸现象小，且系无电极放电，无电极沾污。

这些特点使ICP光源具有优异的分析性能，符合于一个理想分析方法的要求。

一个理想的分析方法，应该是：可以多组分同时测定；测定范要围宽（低含量与高含量成分能同测定）；具有高的灵敏度和好的精确度；可以适用于不同状态的样品的分析；操作要简便与易于掌握。

ICP-AES分析方法便具有这些优异的分析特性：⑴ ICP-AES法首先是一种发射光谱分析方法，可以多元素同时测定。

发射光谱分析方法只要将待测原子处于激发状态，便可同时发射出各自特征谱线同时进行测定。

ICP-AES仪器，不论是多道直读还是单道扫描仪器，均可以在同一试样溶液中同时测定大量元素（30～50个，甚至更多）。

已有文献报导的分析元素可达78个[4]，即除He、Ne、Ar、Kr、Xe惰性气体外，自然界存在的所有元素，都已有用ICP-AES法测定的报告。

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第22卷,第2期光谱学与光谱分析2002年4月SpectroscopyandSpectralAnalysis
Vol122,No12,pp3482349
April,2002
等离子体发射光谱仪分类与“全谱直读”一词
陆文伟
上海交通大学分析测试中心,上海200030
摘要本文从仪器结构原理上讨论了当前国内在新型等离子体发射光谱仪分类命名上的问题。

指出“全谱
直读”一词用于仪器分类的不严谨性。

提仪使用固态检测器等离子体发射光谱仪作为分类词。

主题词等离子体发射光谱仪;中阶梯光栅;固态检测器;全谱直读中图分类号:O657131文献标识码:B文章编号:100020593(2002)022******* 早期国外把等离子体发射光谱仪(ICP2OES)仪器分成同
时型(Simultanous)和顺序型(Sequential)二类。

国内把色散系统区分为多色器(Polychromator)、单色器(Monochromator),仪器则从检测器来区分,命名为多通道型(多道),顺序型(单道扫描)仪器[1,2]。

其仪器的分类命名与仪器功能,仪器结构基本一致,与国外的仪器分类也一致。

ICP2OES仪器在其发展期间,又有N+1的单道与多道结合型仪器出现,以及有入射狭逢能沿罗兰圈光学平面移动,完成1～2nm内扫描,能获得谱图的多道仪器出现,但总体上仍没动摇仪器的原始分类。

1991年新的中阶梯光栅固态检测器ICP2OES仪器问世,新的仪器把中阶梯光栅等光学元件形成的二维谱图投影到平面固态检测器的感光点上,使仪器同时具有同时型和顺序型仪器的功能,这样形成了新一类的仪器。

从它的信号检出来看,它与同时型仪器很接近,故有的国外文献仍把它简单归为同时型(Simultaneous)仪器。

但更多的是从仪器的硬件结构上出发,采用中阶梯光栅固态检测器等离子体发射光谱仪“EchellegratingsolidstatedetectorICP2OES”的命名。

1993年该类仪器进入中国市场,国内仪器广告上出现“全谱直读”一新名词。

随着该类仪器的推广使用,该名词逐渐渗入期刊杂志,教科书,学术界,甚至作为仪器分类词出现
[3]
在《现代分析仪器分析方法通则及计量检定规程》中。

纵观国外涉及到中阶梯光栅固态检测器等离子体发射光谱仪的期刊杂志,书籍和文献均未使用到该词或与之意思相近的词。

甚至各仪器厂家的英文样本中也无该词出现。

实际上“全谱直读”是中文广告词,它不严谨,并含糊地影射二方面意思:
11光谱谱线的全部覆盖性和全部可利用性;21全部谱线的总体信号同时采集读出。

从中阶梯光栅固态检测器等离子体发射光谱仪的光谱范围(英文常采用Wavelengthcoveragerange)来看,一般仪器都在160～800nm左右。

如有的仪器在167～782nm,有的在收稿日期:2000208205,修订日期:2000212212
作者简介:陆文伟,1951年生,上海交通大学分析测试中心高级工程师
165～800nm,有的在175～900nm,有的在165～1000nm,
有的是在122～466nm基础上另加590,670,766nm的额外
单个检测器。

有的在超纯Ar装置下短波段区扩展至134nm,其长波段区能扩展至1050nm。

很明显所有此类仪器的光谱范围目前离“全谱”还是有距离的,而且仪器厂家还在扩大其光谱范围。

再说此类仪器的“光谱范围”,实际上更确切的意思是指可利用的分析谱线波长跨度范围!
实际上中阶梯光栅和棱镜所形成的二维光谱图在目前固态检测器芯片匹配过程中,高级次光谱区可以说是波长连续的,不同级次的光谱波长区甚至重迭。

而低级次光谱区级次与级次之间的波长区并不衔接,最大可以有20nm以上的间隙,其间隙随着级数增大而变小,严格地说也就是仪器的光谱不连续性存在,尽管对有用谱线影响并不太大。

另外中阶梯光栅多色器系统产生的二维谱图闪烁区与检测器芯片匹配的边缘效应,固态检测器的分段或分个处理,都会造成使用全部谱线的困难,甚至发生有用谱线的丢失。

大面积的固态检测器芯片可望用于光谱仪,光谱级次间波长区的连续性会进一步改善,其波长区复盖也会增大。

但仪器制造成本及芯片因光谱级次间波长过多重叠显得利用效率不高,都会形成其发展的阻力。

从仪器可利用谱线上看,目前中阶梯光栅固态检测器等离子体发射光谱仪还只能是多谱线同时分析仪器。

当然它可利用的谱线要比以前多道发射光谱仪器的谱线(最多六十多条)多得多。

如目前仪器有6000多条的,有2万7千条的,有在2万4千条的基础上再可由使用者在仪器波长区任意定址添加的等等。

但这与“全谱”给人的含糊概念,与数十万以上的全部谱线概念相差甚远。

就是从全部可利用谱线讲,该类仪器在定量分析时也不等于纪录全部谱线。

有的仪器是在定性分析时能纪录所有覆盖谱线。

“全谱直读”一词还常常被沿伸到一次曝光像摄谱仪一样工作。

是相对摄片2读片过程变成一步而言。

多道发射光谱仪采用该词较多。

目前中阶梯光栅固态检测器等离子体发射光谱仪还没有完全达到全部谱线的总体信号同时采集读出的水平。

有的仪器分检测器读出,有的仪器分波长区读出,有的仪器分波长区检测器再加几个单个波长检测器读出。

固态检测器的曝光与摄片又不同,固态检测器比照相底片更灵活,为了适应样品分析元素高低浓度大小信号的要求,固态检测器灵活处理,有的分区曝光,有的分级扫描曝光,有的级中分二段控制曝光,有的检测器分子阵列(Subarray)控制曝光,有的从其检测器机理出发分每个感光点(Pixel)控制曝光。

“全谱直读”给人是含糊的印象,不能正确反映仪器的特
参
考
349
点。

当前新的仪器还在不断涌现,有分级扫描式中阶梯光栅固态检测器等离子体发射光谱仪,有新的多个固态检测器在罗兰圈排列使用的仪器,从检测器硬件结构分类,它们都能方便地归入中阶梯光栅固态检测器等离子体发射光谱仪,或固态检测器等离子体发射光谱仪类别里。

而“全谱直读”则明显不能适应。

新名词会受到实践和事实的考验。

国外文献中名词也有变化的,如电感耦合等离子体原子发射光谱仪的ICP2AES英文缩写名词,因AES含义面广,易与俄歇电子光谱[4]混淆,现在逐渐被ICP2OES取代。

切入实际的名词才会在发展中生存。

文
献
[1]化学试剂电感耦合等离子体原子发射光谱方法通则,中华人民共和国国家标准GB10725289.[2]发射光谱仪检定规程,中华人民共和国国家计量检定规程JTG768294.
[3]感耦等离子体原子发射光谱方法通则;感耦等离子体原子发射光谱仪检定规程,1997.(第一版)科学技术文献出版社,现代分析仪器分
析方法通则及计量检定规程.
[4]英汉仪器仪表词汇,科学出版社,1987(第一版). TheClassificationofInductivelyCoupledPlasmaAtomicEmissionSpectrometryandtheWor ds″FullWavelengthRangeDirectReading″
LUWen2wei AnalyticalandTestingCenterofShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,China Abstract
Inthispaper,wediscusstheclassificationproblemofthenewICPspectrometerontheinstrumen t′shardwarestructureandprincipleandpointthewords″fullwavelengthrangeDirectreading″i sincorrectforthenewICPspectrometerclassification,takethesolidstaredetectorICPspectro metryasclassificationwords.
Keywords
ICP;Spectrometer;Echellegrating;Solidstaredetector;Fullwavelengthrangedirectreading (ReceivedAug.5,2001;acceptedDec.12,2001)
更正
本刊2002年第22卷第1期封三第26行“怀念钱振先生”应为“怀念钱振彭先生”,特此更正。