CN112304715A - 一种气体样品原位采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体样品采样的技术领域，涉及一种气体样品原位采样装置。气体样品原位采样装置包括采样管和储样管；储样管可拆卸的盖合于采样管以形成储样内腔；采样管的侧壁设有开孔部，开孔部的储样内腔侧设有气体交换膜层；开孔部的外侧设有金属冲孔网，气体交换膜层和金属冲孔网之间形成液气交换腔体；储样管上远离采样管的一端设有塞体，还包括气体抽吸管，气体抽吸管穿设于所述塞体，气体抽吸管远离储样管的一侧设有阀体。本发明可在不扰动土壤剖面的条件下对稻田土壤不同深度的CH₄气体进行原位采样，过程简便、测定精确，同时最大程度减少对土壤系统的人为扰动，保证在不同稻田土壤水分条件下，采样结果的可靠性与稳定性。

Description

一种气体样品原位采样装置

技术领域

本发明属于气体样品采样的技术领域，涉及一种气体样品原位采样装置。

背景技术

稳定性碳同位素(¹³C)示踪技术是研究水稻C固定、分配、转化以及其在土壤中的生物地化循环过程的重要技术手段，应用¹³C同位素示踪技术可安全、可靠地进行试验实施与测定。根据¹³C标记频率的不同，目前国际上主要有3种方法：单次脉冲标记、重复脉冲标记和持续标记。脉冲标记是一种单次足量标记¹³C示踪剂的技术方法，目前农业研究中常见¹³C标记物主要包括¹³CO₂、¹³C-纤维素、¹³C-半纤维素和¹³C-葡萄糖等。与其它标记技术相比，脉冲标记具有多种优点，应用场景涉及自然和人工生态系统条件下的植物C固定、分配和转运的相关研究，而且还能够提供植物不同生育阶段的物质分配与转化信息，动态监测植物相关代谢产物在土壤中的转化情况，能够准确地反映C在大气-植物-土壤体系中的转化与迁移过程。

近年来，¹³C标记技术在稻田土壤中C代谢与转化过程中的应用引起了相关学界的广泛关注。以¹³CO₂示踪剂为例，大量研究表明¹³C标记物通过水稻植株光合作用进入稻田生态系统后，除一部分被水稻植株固定成为水稻植株生物量外，大部分¹³C标记物通过植株的呼吸作用或以根系分泌物的形式重新进入大气或土壤系统。CH₄是重要的稻田土壤C循环过程产物，同时CH₄也是仅次于CO₂的第二大温室气体。学界对于CH₄在稻田土壤中的代谢底物来源及分布和转化规律的研究愈发重视，而¹³C标记技术可准确反映C底物在植株-土壤-大气系统中向CH₄的转化过程。而受限于土壤系统的复杂性与研究手段的匮乏，如何在尽量减少观测过程引起的人为扰动的前提下，阐释稻田土壤中相关标记物在稻田土壤中的分布与转移规律，其重点就在于能否在尽量减少人为扰动的条件下准确定量土壤中不同点位¹³CH₄的分布丰度。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种气体样品原位采样装置，用于解决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明一方面提供一种气体样品原位采样装置，包括采样管和储样管；所述储样管可拆卸的盖合于所述采样管以形成储样内腔；所述采样管的侧壁设有开孔部，所述开孔部的储样内腔侧设有与开孔部相配合的气体交换膜层；所述开孔部的外侧设有与开孔部相配合的金属冲孔网，所述气体交换膜层和金属冲孔网之间形成液气交换腔体；所述储样管上远离采样管的一端设有塞体，还包括气体抽吸管，所述气体抽吸管穿设于所述塞体且至少部分设于储样内腔中，所述气体抽吸管远离储样管的一侧设有阀体。

在本发明的一些实施方式中，所述采样管和储样管螺纹连接。

在本发明的一些实施方式中，所述采样管和储样管之间设有第一密封件。

在本发明的一些实施方式中，所述气体交换膜层的膜边缘通过第二密封件与储样内腔内壁连接。

在本发明的一些实施方式中，所述第二密封件的两侧设有弹性压环。

在本发明的一些实施方式中，所述液气交换腔体与采样管的侧壁相接触的两端分别的支撑支架。

在本发明的一些实施方式中，所述金属冲孔网的网孔大小为90目～110目。

在本发明的一些实施方式中，所述第一密封件选自密封环。

在本发明的一些实施方式中，所述第二密封件选自防水密封胶贴片。

本发明另一方面提供一种用于测定稻田土壤中甲烷(CH₄)气体¹³C丰度的方法，包括如下步骤：

1)采用本发明所述的气体样品原位采样装置，打开阀体，将所述储样内腔的原有气体通过气体交换膜层全部置换为惰性气体，关闭所述阀体；

2)确定土壤气体采样深度，将步骤1)处理后的气体样品原位采样装置插入土壤预定深度；

3)打开所述阀体，从所述储样内腔中抽取部分所述惰性气体，所述储样内腔中形成负压状态，关于所述阀体；

4)将气体样品原位采样装置在土壤中0.9～1.1h，使土壤微孔和土壤间隙水中溶解态的CH₄与所述储样内腔中的惰性气体充分交换与混合后获得混合气样；

5)经所述阀体处从所述储样内腔中抽取步骤4)获得的混合气样至真空玻璃气体样品瓶；

6)再用同位素质谱仪对步骤5)所述的真空玻璃气体样品瓶中的¹³CH₄丰度进行测定。

本发明提供的稻田土壤CH₄气体采样装置，可在不扰动土壤剖面的条件下对稻田土壤不同深度的CH₄气体进行原位采样，过程简便、测定精确，同时最大程度减少对土壤系统的人为扰动，保证在不同稻田土壤水分条件下，采样结果的可靠性与稳定性。

附图说明

图1显示为本发明的气体样品原位采样装置的结构示意图。

图2显示为本发明的气体样品原位采样装置中采样管结构透视图。

图3显示为本发明的气体样品原位采样装置中采样管的采样原理示意图。

图4显示为本发明的气体样品原位采样装置在土壤中的使用状态图。

图中元件标号

1 储样管

2 采样管

3 储样内腔

4 开孔部

5 气体交换膜层

6 金属冲孔网

7 液气交换腔体

8 塞体

9 气体抽吸管

10 阀体

11 第一密封件

12 第二密封件

13 弹性压环

14 支撑支架

15 土壤

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1～3，本发明实施例涉及一种气体样品原位采样装置，所述气体样品原位采样装置包括采样管2和储样管1；所述储样管1可拆卸的盖合于所述采样管2以形成储样内腔3；所述采样管2的侧壁设有开孔部4，所述开孔部4的储样内腔3侧设有与开孔部4相配合的气体交换膜层5，由于采样管2的壁具有一定的厚度，因此，形成的开孔部4也具有一定的厚度，此处气体交换膜层5与开孔部4的储样内腔3侧相配合具体是指气体交换膜层5可以完全覆盖开孔部4位于储样内腔3侧的一面。所述开孔部4的外侧设有与开孔部4相配合的金属冲孔网6，此处金属冲孔网6与开孔部4的外侧相配合具体是指金属冲孔网6可以完全覆盖开孔部4外侧的一面。前述提到开孔部4具有一定的厚度，因此所述气体交换膜层5和金属冲孔网6之间可以形成液气交换腔体7。所述储样管1上远离采样管2的一端设有塞体8，还包括气体抽吸管9，所述气体抽吸管9穿设于所述塞体8且至少部分设于储样内腔3中，所述气体抽吸管9远离储样管1的一侧设有阀体10。本发明的气体样品原位采样装置可以适用于稻田土壤CH₄气体采样，可在不扰动土壤15剖面的条件下对稻田土壤15不同深度的CH₄气体进行原位采样，过程简便、测定精确，同时最大程度减少对土壤系统的人为扰动，保证在不同稻田土壤水分条件下，采样结果的可靠性与稳定性。同时，采样管中开孔部4上设有气体交换膜层5等耗材，当气体交换膜等耗材达到使用寿命后，由于所述采样管2和储样管1的可拆卸设置，可以只用丢弃采样管2的部分，储样管1可重复利用。

本发明所提供的气体样品原位采样装置中，如图1，采样管2的底部为尖头部，便于插入土壤15中。采样管2的材质例如可以是金属材质，更例如可以是不锈钢材质(304不锈钢等)。通常情况下，采样管2的壁具有一定的厚度，例如可以是1.9～2.1mm。采样管2的长度为4.9～5.1cm，采样管2非尖头部位的内径为1.4～1.6cm，外径为1.7～2.0cm。采样管2用于土壤15穿刺和结构承压。

本发明所提供的气体样品原位采样装置中，如图1，储样管1储样管的材质例如可以是金属材质，更例如可以是不锈钢材质(304不锈钢等)。储样管1的长度通常可以根据气体采样量大小确定，储样管1的长度例如可以为10～25cm。更例如常压条件下10ml气体采样量的储样管的长度应选择20cm长度。储样管1的内径和外径分别与采样管2相配合，内径为1.4～1.6cm，外径为1.7～2.0cm。

本发明所提供的气体样品原位采样装置中，如图1，所述采样管2和储样管1之间螺纹连接。具体的，所述采样管2上设有外螺纹，所述储样管1上设有与外螺纹相配合的内螺纹。用于将采样管2和储样管1连接。更具体的，储样管1使用304不锈钢内壁攻丝，采样管2使用304不锈钢外壁攻丝，可使采样管2旋入储样管1中。

本发明所提供的气体样品原位采样装置中，如图1和2，所述采样管2和储样管1之间设有第一密封件11。在一实施例中，所述第一密封件11选自密封环。密封环例如可以是防渗硅胶密封环。具体使用时，可以将防渗硅胶密封环嵌套于采样管2和储样管1之间螺纹连接处。密封环的厚度为1.4～1.6mm，内径为1.5～1.7cm。第一密封件11用于防止采样管2和储样管1接口处气体或液体交换。

本发明所提供的气体样品原位采样装置中，如图1和2，所述采样管2的侧壁设有开孔部4，开孔部4的尺寸例如可以是0.7～0.9cm×1.9～2.1cm。

本发明所提供的气体样品原位采样装置中，如图1和2，所述开孔部4的储样内腔3侧设有与开孔部4相配合的气体交换膜层5。所述气体交换膜层5的膜边缘通过第二密封件12与储样内腔3连接。气体交换膜层5的材质例如可以是ePTFE气体交换膜。第二密封件12可以是疏水无纺布基，更例如可以是防水密封胶贴片。ePTFE气体交换膜内侧植于疏水无纺布基。可以理解为ePTFE气体交换膜外缘使用中间开口的椭圆形布基防水密封胶贴片紧密粘合于储样内腔3内壁。

本发明所提供的气体样品原位采样装置中，如图1和2，所述第二密封件12的两侧设有弹性压环13。弹性压环13例如可以是弹簧压环。弹簧压环为C形的耐候型弹簧钢材质。可以与第二密封件12紧密贴合，分别设置于第二密封件12(例如防水密封胶贴片)上下两侧，用于压实和支撑第二密封件12(例如防水密封胶贴片)。

本发明所提供的气体样品原位采样装置中，所述开孔部4的外侧设有与开孔部4相配合的金属冲孔网6，金属冲孔网6可以是不锈钢冲孔网。不锈钢冲孔网可以焊接于采样管2上开孔部4的外侧。金属冲孔网6的网孔大小为90目～110目。用以防止土壤15中大颗粒泥沙损坏气体交换膜层5。如图3，使用时，土壤15微孔和土壤15间隙水中溶解态的CH₄可以从金属冲孔网6的网孔中先进入液气交换腔体7中，然后再通过气体交换膜层5进入到储样内腔3与氮气进行交换或混合。而土壤中的大颗粒泥沙及水等不会通过气体交换膜层5，而是通过金属冲孔网6的网孔重新回到土壤中。

本发明所提供的气体样品原位采样装置中，所述液气交换腔体7与采样管2的侧壁相接触的两端分别设有支撑支架14。支撑支架14可以是PE复合硅胶内衬支架，采用PE支架加入塑性硅胶脱模制作，用于支撑起金属冲孔网6和气体交换膜层5之间的空隙作为液气交换腔体7(液-气两相交换腔体)，同时也用于防止体交换膜层受压时产生超限形变。

本发明所提供的气体样品原位采样装置中，所述塞体8例如可以为储样内腔3气密塞。

本发明所提供的气体样品原位采样装置中，所述气体抽吸管9例如可以是硅胶毛细管。

本发明所提供的气体样品原位采样装置中，所述阀体10例如可以是气体三通阀。

本发明所提供的气体样品原位采样装置的工作过程：

使用时，如图4，组装完成气体样品原位采样装置后，在气体样品原位采样装置插入待测定稻田土壤15前，通过连接阀体10(例如气体三通阀)的注射器将惰性气体，例如可以是高纯度氮气(N₂)推入储样内腔3中，将储样内腔3内部原有气体由采样管2侧壁通过气体交换膜层5置换出去。在确定储样内腔3内原有气体全部被高纯度氮气(N₂)置换完成后，及时关闭阀体10。进一步确定土壤15气体采样深度后，将已充满高纯度氮气(N₂)的气体样品原位采样装置及时插入稻田土壤15中的预定深度。再次开启阀体10(例如气体三通阀)，根据选定的套管规格，抽出储样内腔3中约1/5的高纯N₂，使探针腔体内形成负压状态后，再次关闭阀体10。完成上述操作后，如图3，将气体样品原位采样装置静置于稻田土壤15中1小时，使土壤15微孔和土壤15间隙水中溶解态的CH₄与储样内腔3的高纯N₂充分交换与混合后获得混合气样。气体样品原位采样装置静置完成后，再次通过注射器抽取储样内腔3中的混合气样，并转移至真空玻璃气瓶中保存用于后续¹³CH₄丰度测定工作。由于CH₄气体样品中¹³CH₄的丰度与气体样品中CH₄浓度无关，只取决于CH₄中¹²C和¹³C原子丰度比，因此对于储样内腔3气体抽取量较少的样品，则须通过额外注射高纯N₂进入玻璃气体样品瓶中，将瓶中气体体积补齐至20mL。前述混合气样使用型号为Thermo Scientific Delta V Plus的同位素质谱仪对气体样品中的¹³CH₄丰度进行测定，并获得最终测定结果。

本发明第二方面提供一种用于测定稻田土壤中甲烷(CH₄)气体¹³C丰度的方法，采用本发明所述的气体样品原位采样装置，包括如下步骤：

1)打开阀体10，将所述储样内腔3的原有气体通过气体交换膜层5全部置换为惰性气体，关闭所述阀体10。其中惰性气体例如可以是高纯度的氮气。

2)确定土壤气体采样深度，将步骤1)处理后的气体样品原位采样装置插入土壤预定深度。

3)打开所述阀体10，从所述储样内腔3中抽取部分所述惰性气体，所述储样内腔3中形成负压状态，关于所述阀体10。其中，部分所述惰性气体例如可以是1/5的氮气。

4)将气体样品原位采样装置在土壤中0.9～1.1h，使土壤微孔和土壤间隙水中溶解态的CH₄与所述储样内腔3中的惰性气体充分交换与混合后获得混合气样。

5)经所述阀体10处从所述储样内腔3中抽取步骤4)获得的混合气样至真空玻璃气体样品瓶；

6)再用同位素质谱仪对步骤5)所述的真空玻璃气体样品瓶中的¹³CH₄丰度进行测定。

综上，本发明提供的稻田土壤CH₄气体采样装置，可在不扰动土壤剖面的条件下对稻田土壤不同深度的CH₄气体进行原位采样，过程简便、测定精确，同时最大程度减少对土壤系统的人为扰动，保证在不同稻田土壤水分条件下，采样结果的可靠性与稳定性。

综上，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种气体样品原位采样装置，其特征在于，所述气体样品原位采样装置包括采样管(2)和储样管(1)；所述储样管(1)可拆卸的盖合于所述采样管(2)以形成储样内腔(3)；所述采样管(2)的侧壁设有开孔部(4)，所述开孔部(4)的储样内腔侧设有与开孔部(4)相配合的气体交换膜层(5)；所述开孔部(4)的外侧设有与开孔部(4)相配合的金属冲孔网(6)，所述气体交换膜层(5)和金属冲孔网(6)之间形成液气交换腔体(7)；所述储样管(1)上远离采样管(2)的一端设有塞体(8)，还包括气体抽吸管(9)，所述气体抽吸管(9)穿设于所述塞体(8)且至少部分设于储样内腔(3)中，所述气体抽吸管(9)远离储样管(1)的一侧设有阀体(10)。

2.如权利要求1所述的气体样品原位采样装置，其特征在于，所述采样管(2)和储样管(1)螺纹连接。

3.如权利要求1所述的气体样品原位采样装置，其特征在于，所述采样管(2)和储样管(1)之间设有第一密封件(11)。

4.如权利要求3所述的气体样品原位采样装置，其特征在于，所述第一密封件(11)选自密封环。

5.如权利要求1所述的气体样品原位采样装置，其特征在于，所述气体交换膜层(5)的膜边缘通过第二密封件(12)与储样内腔(3)内壁连接。

6.如权利要求5所述的气体样品原位采样装置，其特征在于，所述第二密封件(12)的两侧设有弹性压环(13)。

7.如权利要求5所述的气体样品原位采样装置，其特征在于，所述第二密封件(12)选自防水密封胶贴片。

8.如权利要求1所述的气体样品原位采样装置，其特征在于，所述液气交换腔体(7)与采样管(2)的侧壁相接触的两端分别的支撑支架(14)。

9.如权利要求1所述的气体样品原位采样装置，其特征在于，所述金属冲孔网(6)的网孔大小为90目～110目。

10.一种用于测定稻田土壤中甲烷气体¹³C丰度的方法，包括如下步骤：

1)采用如权利要求1～9任一项权利要求所述的气体样品原位采样装置，打开阀体(10)，将所述储样内腔(3)的原有气体通过气体交换膜层(5)全部置换为惰性气体，关闭所述阀体(10)；

2)确定土壤气体采样深度，将步骤1)处理后的气体样品原位采样装置插入土壤预定深度；

3)打开所述阀体(10)，从所述储样内腔(3)中抽取部分所述惰性气体，所述储样内腔(3)中形成负压状态，关于所述阀体(10)；

4)将气体样品原位采样装置在土壤中0.9～1.1h，使土壤微孔和土壤间隙水中溶解态的CH₄与所述储样内腔(3)中的惰性气体充分交换与混合后获得混合气样；

5)经所述阀体(10)处从所述储样内腔(3)中抽取步骤4)获得的混合气样至真空玻璃气体样品瓶；

6)再用同位素质谱仪对步骤5)所述的真空玻璃气体样品瓶中的¹³CH₄丰度进行测定。

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