CN106353278B - 土壤微生物呼吸δ13C连续测定装置 - Google Patents

土壤微生物呼吸δ13C连续测定装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种土壤微生物呼吸δ13C连续测定装置，其包括采样系统、分析系统和控制系统；所述采样系统用于对培养瓶内的气体进行抽取，并将该气体输送至分析系统；所述分析系统使用标定气体进行标定，得到CO2和δ13C的含量；所述控制系统用于接收所述分析系统所得到的数据，并控制所述采样系统。本发明通过建立具有16个培养器的原位培养系统，并可以连续测定系统整合，形成自动进样与分析功能，并能够对培养器内δ13C‑CO2同位素比值和CO2浓度的连续测定(0.3赫兹)；而且本发明具有可编程的温度控制功能，满足模拟复杂情景的功能，借鉴野外经验，建立在线标定系统，确保测试精度，可实现商业化量产、全自动操作，降低劳动强度，使用快捷方便。

Description

土壤微生物呼吸δ13C连续测定装置
技术领域
本发明涉及一种δ13C测定装置，尤其涉及一种土壤微生物呼吸δ13C连续测定装置。
背景技术
土壤呼吸中的自养呼吸和异养呼吸组分都受底物有效性的调控：通过韧皮部运输的碳水化合物的供应控制根与菌根真菌的呼吸，死亡的有机质则控制微生物的呼吸。
土壤微生物呼吸(CO2)δ13C的测定系统，可以分为野外和室内测定系统。目前尚无商业化配套设备，现有设备均为研究者自制设备。
这种自制设备的测定样品收集效率较低，而且仪器观测精度也低；同时在实现δ13C测量时费时费力，难以实现连续观测。
发明内容
本发明目的是提供一种土壤微生物呼吸δ13C连续测定装置，其基于稳定同位素红外光谱仪，能实现土壤微生物呼吸δ13C的同时、同步、连续监测。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种土壤微生物呼吸δ13C连续测定装置，其包括温控系统、采样系统、分析系统、标定系统和控制系统；
所述温控系统用于对培养瓶的温度进行控制；
所述采样系统用于对培养瓶内的气体进行抽取，并将该气体输送至分析系统；
标定系统，用于将标定气体输送至分析系统；
所述分析系统使用标定气体进行标定，并用于对采样系统输送的气体进行检测，得到CO2和δ13C的含量；
所述控制系统用于接收所述分析系统所得到的数据，并控制所述采样系统。
可选的，所述温控系统包括恒温水槽和低温恒温循环器，所述恒温水槽上开设有进水口和出水口，所述低温恒温循环器的出水口与所述恒温水槽的进水口连通，所述低温恒温循环器的进水口与所述恒温水槽的出水口连通。
可选的，所述采样系统包括培养瓶、上放置板、下放置板、密封盖组件和三维平移装置；
所述恒温水槽上部设置有上放置板，所述上放置板上开设有16个通孔，所述16个通孔呈四排、四列布置；所述上放置板底部固定设置有下放置板，所述上放置板和下放置板之间间隔预定距离；所述培养瓶设置于所述上放置板的通孔内，每一个通孔内放置一个培养瓶，且由所述下放置板支撑；
所述恒温水槽上固定有三维平移装置，所述三维平移装置的Z轴导轨上固定有密封组件，所述密封组件用于密封所述培养瓶；
所述密封盖组件上开设有第一通气孔和第二通气孔，所述第一通气孔内设置有进气管，所述第二通气孔内设置有排气管，当所述密封盖组件密封所述培养瓶时，所述进气管插入所述培养瓶的深度大于排气管插入培养瓶的深度。
可选的，所述下放置板上开设有多个通孔，所述下放置板的通孔的直径小于所述培养瓶的直径。
可选的，所述密封组件包括密封板、设置于所述密封板下方的橡胶垫片和设置于所述橡胶垫片下方的密封垫盖。
可选的，所述温控系统包括第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器用于检测恒温水槽内的水的温度，所述第二温度传感器用于检测培养瓶内的土壤的温度。
可选的，所述排气管通过过滤器和数显流量计与第一两位三通电磁阀的A 口连通，所述第一两位三通电磁阀的P口通过CO2吸收管与第二两位三通电磁阀的P口连通，所述第一两位三通电磁阀的R口与所述第二两位三通电磁阀的 R口连通，所述第二两位三通电磁阀的A口与第一三通的一个端口连通，所述第一三通的另一个端口连接于气泵的进气口；所述第一三通的第三个端口与第三两位三通电磁阀的R口连通，所述第三两位三通电磁阀的P口与大气连通，所述第三两位三通电磁阀的A口与分析系统的排气口连通；
所述标定系统包括第一标定气瓶、第二标定气瓶和第三标定气瓶，所述第一标定气瓶、第二标定气瓶和第三标定气瓶均通过开关阀分别连接于四通的三个端口，所述四通的第四个端口连接于第四两位三通电磁阀的P口，所述第四两位三通电磁阀的A口与分析系统的进气口连通，所述第四两位三通电磁阀的 R口通过过滤器连接于第二三通的一个端口，所述第二三通的另一个端口与所述气泵的排气口连通，所述第二三通的第三端口与所述进气管连通；所述第四两位三通电磁阀的R口通过过滤器和节流阀还连接于所述第三两位三通电磁阀的R口。
本发明具有如下有益效果：本发明通过建立具有16个培养瓶的原位培养系统，并可以连续测定，形成自动进样与分析功能，并能够对培养瓶内δ13C-CO2同位素比值和CO2浓度的连续测定(0.3赫兹)；而且本发明具有可编程的温度控制功能，满足模拟复杂情景的功能，借鉴野外经验，建立在线标定系统，确保测试精度，可实现商业化量产、全自动操作，降低劳动强度，使用快捷方便；通过分析系统，使得CO2和δ13C精度分别优于1ppm和0.3‰。
附图说明
图1为本发明的一种土壤微生物呼吸δ13C连续测定装置的结构示意图；
图2为本发明的温控系统的结构示意图；
图3为本发明的采样系统的结构示意图；
图4为本发明的采样系统的俯视结构示意图；
图5为本发明的三维平移装置的结构示意图；
图6为本发明的采样系统和分析系统的连接关系示意图；
1-温控系统；11-恒温水槽；12-低温恒温循环器；2-采样系统；21-培养瓶； 22-上放置板；23-下放置板；24-密封盖组件；25-三维平移装置；201-第一X 轴导轨；202-第一X轴丝杠；203-第一X轴移动板；204-X轴电机；205-第二X 轴导轨；206-第二X轴丝杠；207-第二X轴移动板；208-Y轴导轨；209-Y轴电机；210-Y轴丝杠；211-Y轴滑块；212-Z轴导轨；213-Z轴固定块；214-Z 轴电机；215-Z轴丝杠；26-进气管；27-排气管；3-分析系统；4-标定系统； 5-控制系统；61-第一过滤器；62-数显流量计；63-第一两位三通电磁阀；64-CO2吸收管；65-第二两位三通电磁阀；66-第一三通；67-第三两位三通电磁阀；68- 第一标定气瓶；69-第二标定气瓶；70-第三标定气瓶；71-四通；72-第四两位三通电磁阀；73-第二过滤器；74-节流阀；75-气泵；76-第二三通。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。
实施例1
本实施例提供了一种土壤微生物呼吸δ13C连续测定装置，其包括温控系统、采样系统、分析系统、标定系统和控制系统。
所述温控系统用于对培养瓶的温度进行控制；所述温控系统能实现0-30℃的温度自动控制，其可以采用市场上成熟设备来实现，例如所述温控系统包括恒温水槽和低温恒温循环器，所述恒温水槽上开设有进水口和出水口，所述低温恒温循环器的出水口与所述恒温水槽的进水口连通，所述低温恒温循环器的进水口与所述恒温水槽的出水口连通，以通过所述低温恒温循环器和恒温水槽内水的循环流动来实现对恒温水槽内的水温控制，更进一步，实现了对培养瓶的温度的控制。
所述采样系统同时控制16路的土壤微生物呼吸培养瓶，即对多达16路土壤微生物呼吸培养瓶的每一路的取样进行精确控制，并保证密封及压合，同时实现自动进样的连续测定。
本实施例中，所述采样系统包括培养瓶、上放置板、下放置板、密封盖组件和三维平移装置。
所述恒温水槽上部设置有上放置板，所述上放置板上开设有多个通孔，本实施例中，所述通孔可以为四排、四列共16个，以在所述16个通孔中，容置 16个培养瓶；所述上放置板底部固定设置有下放置板，本实施例中，所述上放置板和下放置板均为方形，所述下放置板的四个角部通过四个支撑柱固定于所述上放置板上，并位于所述上放置板的下方，所述上放置板和下放置板之间间隔预定距离，以使得当所述培养瓶设置于所述通孔内时，可以位于所述下放置板上，并由所述下放置板提供支撑。本实施例中，为使得所述恒温水槽对所述培养瓶有着较高的加热效率，所述下放置板上开设有多个通孔，所述通孔的直径小于所述培养瓶的直径。
为方便对培养瓶进行固定和更换，本实施例中，所述采样系统还包括四个压板，所述每一个压板上均开设有四个通孔，当将所述压板固定于所述上放置板时，所述压板的四个通孔内可以容置四个培养瓶，当需要更换培养瓶时，仅需要拆卸与该培养瓶对应的压板，从而能够实现对培养瓶的在线更换。
所述上放置板上固定有三维平移装置，本实施例中，所述三维平移装置包括：第一X轴运动组件、第二X轴运动组件、Y轴运动组件和Z轴运动组件；所述第一X轴运动组件包括第一X轴导轨、第一X轴丝杠、第一X轴移动板和 X轴电机，所述第二X轴运动组件包括第二X轴导轨、第二X轴丝杠和第二X 轴移动板；所述第一X轴导轨固定于所述上放置板上，且位于所述上放置板的一侧，所述第二X轴导轨固定于所述上放置板上，且位于所述上放置板的另一侧，所述第一X轴导轨和第二X轴导轨在同一水平面上，且相互平行；所述第一X轴丝杠的两端可转动地设置于所述第一X轴导轨上，轴向位置固定，且与所述第一X轴导轨平行；所述X轴电机固定于所述第一X轴导轨上，且与所述第一X轴丝杠传动连接，以通过所述X轴电机驱动所述第一X轴丝杠转动；所述第一X轴移动板可滑动地设置于所述第一X轴导轨上，且所述第一X轴移动板上形成有丝母，所述丝母与所述第一X轴丝杠相配合。
所述第二X轴丝杠的两端可转动地设置于所述第二X轴导轨上，轴向位置固定，且与所述第二X轴导轨平行；所述X轴电机与所述第二X轴丝杠传动连接，以通过所述X轴电机驱动所述第二X轴丝杠转动；所述第二X轴移动板可滑动地设置于所述第二X轴导轨上，且所述第二X轴移动板上形成有丝母，所述丝母与所述第二X轴丝杠相配合。
所述Y轴运动组件包括Y轴导轨、Y轴电机、Y轴丝杠和Y轴滑块；所述Y 轴导轨的两端分别固定于所述第一X轴移动板和第二X轴移动板上，且所述Y 轴导轨水平设置，且垂直于所述第一X轴导轨和第二X轴导轨；所述Y轴电机固定于所述Y轴导轨上，所述Y轴丝杠的两端可转动地设置于所述Y轴导轨上，轴向位置固定，且所述Y轴电机与所述Y轴丝杠传动连接，以通过所述Y轴电机驱动所述Y轴丝杠转动，所述Y轴滑块可滑动地设置于所述Y轴导轨上，且所述Y轴滑块上形成有丝母，所述丝母与所述Y轴丝杠相配合。
本实施例中，可以通过上述结构将所述三维平移装置X坐标轴和Y坐标轴控制精度误差在2mm以内。
所述Z轴运动组件包括Z轴导轨、Z轴固定块、Z轴电机和Z轴丝杠；所述 Z轴固定块固定于所述Y轴滑块上，所述Z轴固定块上形成有丝母，所述丝母与所述Z轴丝杠相配合，所述Z轴丝杠的两端可转动设置于所述Z轴导轨上，所述Z轴导轨可滑动地设置于所述Z轴固定块上，且轴向位置固定，所述Z轴电机固定于所述Z轴丝杠上，且与所述Z轴丝杠传动连接，当所述Z轴电机转动时，驱动所述Z轴丝杠转动，从而使得所述Z轴导轨沿所述Z轴固定块上下滑动，从而通过上述结构，使得Z坐标轴的控制精度0.1mm，确保取样精确性。
所述三维平移装置的Z轴导轨上固定有密封组件，所述密封组件包括密封板、设置于所述密封板下方的橡胶垫片和设置于所述橡胶垫片下方的密封垫盖，在对所述培养瓶进行测试时，所述三维平移装置带动所述密封组件移动至相应的培养瓶上方，并带动所述密封组件向下运动，从而使得密封组件密封所述培养瓶。
所述密封盖组件的密封板、橡胶垫片和密封垫盖上均开设有第一通气孔和第二通气孔，所述第一通气孔内设置有进气管，所述第二通气孔内设置有排气管，当所述密封盖组件密封所述培养瓶时，所述进气管插入所述培养瓶的深度大于排气管插入培养瓶的深度。
由于采样系统连续不断采样，培养瓶的瓶口密封为动态密封，且密封垫压合次数平均一个月7500次左右，对于密封垫的抗压缩变形性及密封性提出了更高的要求；而且，由于采样系统工作环境为变温0～30℃，且处于湿度较大的环境中，对于密封垫的性能要求较高。因此，本实施例中，所述密封垫盖的材质为3M C-4305泡棉材质，所述3M C-4305泡棉特性：a.除了具有一般橡胶的良好物性外，还具有耐燃、耐油、耐化学腐蚀等优异特性。b.具有出色的密封性； c.具有出色的抗压缩变形性，在允许形变范围内10000次压缩不影响回复原形。
本实施例中，所述温控系统还包括第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器用于检测恒温水槽内的水的温度，所述第二温度传感器用于检测培养瓶内的土壤的温度，所述第一温度传感器和第二温度传感器的精度为 0.2℃，从而保证环境模拟及计算的准确度。
所述分析系统与所述采样系统连通，本实施例中，所述分析系统为PicarroG1101-ICO2同位素分析仪，保证CO2和δ13C精度分别由于1ppm与0.3‰。所述排气管通过第一过滤器和数显流量计与所述第一两位三通电磁阀的A口连通，所述第一两位三通电磁阀的P口通过CO2吸收管与第二两位三通电磁阀的P口连通，所述第一两位三通电磁阀的R口与所述第二两位三通电磁阀的R口连通，所述第二两位三通电磁阀的A口与第一三通的一个端口连通，所述第一三通的另一个端口连接于所述气泵的进气口；所述第一三通的第三个端口与第三两位三通电磁阀的R口连通，所述第三两位三通电磁阀的P口与大气连通，所述第三两位三通电磁阀的A口与分析系统的排气口连通。
所述标定系统通过接入标气，然后通过标定方法进行计算[12CO2]和[13CO2] 值；每个标气测定5min，大气持续测量294min；δ13C标定后的测量值和真实值：平均差异为-0.007±0.124‰；变化范围：-0.352‰到0.354‰。
所述标定系统包括第一标定气瓶、第二标定气瓶和第三标定气瓶，所述第一标定气瓶、第二标定气瓶和第三标定气瓶均通过开关阀分别连接于四通的三个端口，所述四通的第四个端口连接于所述第四两位三通电磁阀的P口，所述第四两位三通电磁阀的A口与分析系统的进气口连通，所述第四两位三通电磁阀的R口通过第二过滤器连接于第二三通的一个端口，所述第二三通的另一个端口与所述气泵的排气口连通，所述第二三通的第三端口与所述进气管连通；所述第四两位三通电磁阀的R口通过第二过滤器和节流阀还连接于所述第三两位三通电磁阀的R口。
所述控制系统控制采样系统采样流程、顺序及分析系统数据采集与处理，精确气路控制、时间控制、标气控制及数据整合(测试数据、传感器数据、对应土壤培养瓶标号、测试时间及标气标定等)，实现精确分析。所述控制系统包括控制器和数据采集装置，所述数据采集装置与所述分析系统和控制器信号连接，以将所述分析系统所检测的数据传递至所述控制器。
本实施例中，所述分析系统进行标定时，可以采用两点混合比线性内插标定方法。
所述控制系统还用于控制所述三维平移装置，即在所述控制系统的控制下，所述三维平移机构带动密封组件移动到待测试的培养瓶的上方，并将所述培养瓶密封，从而开始测试所述培养瓶内的气体。
以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种土壤微生物呼吸δ13C连续测定装置，其特征在于，包括温控系统、采样系统、分析系统、标定系统和控制系统；
所述温控系统用于对培养瓶的温度进行控制；
所述采样系统用于对培养瓶内的气体进行抽取，并将该气体输送至分析系统；
标定系统，用于将标定气体输送至分析系统；
所述分析系统使用标定气体进行标定，并用于对采样系统输送的气体进行检测，得到CO2和δ13C的含量；
所述控制系统用于接收所述分析系统所得到的数据，并控制所述采样系统；
其中，所述采样系统包括培养瓶、上放置板、下放置板、密封盖组件和三维平移装置；
所述温控系统的恒温水槽上部设置有上放置板，所述上放置板上开设有16个通孔，所述16个通孔呈四排、四列布置；所述上放置板底部固定设置有下放置板，所述上放置板和下放置板之间间隔预定距离；所述培养瓶设置于所述上放置板的通孔内，每一个通孔内放置一个培养瓶，且由所述下放置板支撑；
所述恒温水槽上固定有三维平移装置，所述三维平移装置的Z轴导轨上固定有密封组件，所述密封组件用于密封所述培养瓶；
所述密封盖组件上开设有第一通气孔和第二通气孔，所述第一通气孔内设置有进气管，所述第二通气孔内设置有排气管，当所述密封盖组件密封所述培养瓶时，所述进气管插入所述培养瓶的深度大于排气管插入培养瓶的深度；
所述排气管通过过滤器和数显流量计与第一两位三通电磁阀的A口连通，所述第一两位三通电磁阀的P口通过CO2吸收管与第二两位三通电磁阀的P口连通，所述第一两位三通电磁阀的R口与所述第二两位三通电磁阀的R口连通，所述第二两位三通电磁阀的A口与第一三通的一个端口连通，所述第一三通的另一个端口连接于气泵的进气口；所述第一三通的第三个端口与第三两位三通电磁阀的R口连通，所述第三两位三通电磁阀的P口与大气连通，所述第三两位三通电磁阀的A口与分析系统的排气口连通；
所述标定系统包括第一标定气瓶、第二标定气瓶和第三标定气瓶，所述第一标定气瓶、第二标定气瓶和第三标定气瓶均通过开关阀分别连接于四通的三个端口，所述四通的第四个端口连接于第四两位三通电磁阀的P口，所述第四两位三通电磁阀的A口与分析系统的进气口连通，所述第四两位三通电磁阀的R口通过过滤器连接于第二三通的一个端口，所述第二三通的另一个端口与所述气泵的排气口连通，所述第二三通的第三端口与所述进气管连通；所述第四两位三通电磁阀的R口通过过滤器和节流阀还连接于所述第三两位三通电磁阀的R口。
2.根据权利要求1所述的土壤微生物呼吸δ13C连续测定装置，其特征在于，所述温控系统包括恒温水槽和低温恒温循环器，所述恒温水槽上开设有进水口和出水口，所述低温恒温循环器的出水口与所述恒温水槽的进水口连通，所述低温恒温循环器的进水口与所述恒温水槽的出水口连通。
3.根据权利要求2所述的土壤微生物呼吸δ13C连续测定装置，其特征在于，所述下放置板上开设有多个通孔，所述下放置板的通孔的直径小于所述培养瓶的直径。
4.根据权利要求3所述的土壤微生物呼吸δ13C连续测定装置，其特征在于，所述密封组件包括密封板、设置于所述密封板下方的橡胶垫片和设置于所述橡胶垫片下方的密封垫盖。
5.根据权利要求4所述的土壤微生物呼吸δ13C连续测定装置，其特征在于，所述温控系统包括第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器用于检测恒温水槽内的水的温度，所述第二温度传感器用于检测培养瓶内的土壤的温度。
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