CN207318164U - 一种多时间点采样的连续碳氮同位素双标记装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种多时间点采样的连续碳氮同位素双标记装置，包括透明密封箱体、13CO2生成系统、CO2浓度控制及监测系统、箱体内的水生植物培养及15N标记装置和采样系统。透明密封箱体包括进样口、进气口和排水口；13CO2生成系统气密地连通箱体内；CO2浓度控制及监测系统包括CO2检测仪（17）和高纯空气气瓶（14）；水生植物培养及15N标记装置包括含有15N标记物的水及水生植物的水培箱；采样系统包括气体采样装置和水体采样装置。这种同位素双标记装置可同时连续采集气体和水体样品，精确控制CO2浓度和15N标记物浓度，可同时模拟大气CO2浓度升高及水体富营养化环境条件，探究该环境条件下大气—植物—水体—微生物复杂系统中碳氮循环的相关问题。
Description
技术领域
本实用新型属于同位素示踪领域，具体涉及一种连续碳氮同位素双标记示踪装置，尤其为一种无干扰、多时间点采样的连续碳氮同位素双标记装置。
背景技术
稳定性同位素标记作为一种可示踪元素迁移及转化规律的强有力的方法，在环境及生态领域应用极广。随着温室效应愈演愈烈，全球碳循环已成为环境及生态学科的研究热点。与全球氮循环息息相关的水体富营养化问题也是长期以来研究者们孜孜不倦试图攻克的难题。要探究其中任何一个问题或两者的结合，均需要稳定性同位素标记示踪装置，而若要探究其中的变化规律，则需要在不打开装置的前提下，解决气样和水样的多时间点采样问题。此外，在气体CO2标记中，要求迅速降低装置内大气CO2的底物浓度，增加13CO2的比例，其中低浓度CO2标记是碳标记中的一个难点。目前的稳定性同位素标记装置多为短时间标记的装置，若想标记植物的整个生长期，连续标记是碳氮标记的另一个难点。
实用新型内容
为了解决上述问题，本实用新型提供一种多时间点采样、迅速标记低浓度CO2、探究碳氮两种元素转化规律的连续稳定性同位素双标记装置。
本实用新型采用如下技术方案：
一种多时间点采样的连续碳氮同位素双标记装置，包括透明密封箱体1、13CO2生成系统、CO2浓度控制及监测系统、水生植物培养及15N标记装置和采样系统；
所述透明密封箱体1包括进样口2、进气口22和排水口10；
所述13CO2生成系统气密地连通所述箱体1的内部；
所述CO2浓度控制及监测系统包括CO2检测仪17和高纯空气气瓶14，所述CO2检测仪17置于所述箱体1内部；所述高纯空气气瓶14连通所述进气口22；
所述水生植物培养及15N标记装置包括植物水培箱3，所述水培箱3中放有15N标记的水及水生植物；所述水生植物培养及15N标记装置置于所述箱体1内部；
所述采样系统包括气体采样装置和水体采样装置，所述气体采样装置气密地连通所述箱体1的内部；所述水体采样装置气密地连通所述水培箱3内部。
进一步地，所述同位素双标记装置还包括环境控制系统，所述环境控制系统，包括气体混匀装置5、冷凝装置6及补光装置20；
所述气体混匀装置5置于所述箱体1内部；
所述冷凝装置6气密地插入所述箱体1内部；
所述补光装置20置于所述箱体1内部的上表面。
进一步地，所述箱体1长宽高的内径分别为1.0m、0.4m、0.8m。
进一步地，所述进气口22或排水口10为带阀门的金属管道，管道穿过箱体，阀门在箱体外部。
进一步地，所述排水口有2个。
进一步地，所述进样口2位于箱体1正面中间位置，为直径0.2m的圆形孔，配合所述进样口2设置有进样口盖，所述进样口盖与所述进样口2通过螺纹密封连接，保证装置的气密性。进样口2用于水培箱和植物的进出。
进一步地，密封箱中所有的电线全部通过箱体1上设置的电线出口13引出，用改性丙烯酸酯胶粘剂密封电线出口13及电线间的空隙，保证密封严实。
进一步地，所述电线出口处的电线上设置有开关。
进一步的，所述13CO2生成系统包括CO2反应溶液存储袋11、输液管、调速阀12和反应池4；所述反应池4置于所述箱体1内部，所述CO2反应溶液存储袋11在所述箱体1外部通过所述输液管气密地穿过所述箱体1壁连通所述反应池4；所述输液管上设置有所述调速阀12。
进一步地，所述箱体1的壁上嵌入空心双头螺栓，所述空心双头螺栓位于所述箱体外部的一端通过所述输液管与所述CO2反应溶液存储袋相连，所述空心双头螺栓位于所述箱体内部的一端通过所述输液管与所述反应池相连。
进一步地，所述反应池4长宽高均为0.15m。该13CO2生成系统可通过更换CO2反应溶液存储袋进行13C的连续标记。
进一步地，所述高纯空气成分为：79%N2、21%O2，CO2含量为2ppmv。
进一步地，所述植物水培箱为内径0.18m、高0.22m的圆柱形水培箱。
进一步地，所述水培箱共设置有4个。
进一步地，所述气体采样装置包括气体采样注射器26、气体采样阀门27和橡胶隔垫24，所述橡胶隔垫24嵌在所述箱体1中，所述气体采样注射器26与针头通过所述气体采样阀门27相连，将针头插入橡胶隔垫即可抽取箱体中的气体用于分析，关闭气体采样阀门27后再抽出针头，可以免气体污染。橡胶隔垫为岛津201-35584号气相色谱进样橡胶隔垫，可反复插入针头抽取气体。
进一步地，所述气体采样阀门为三通阀开关转换接头。
进一步地，所述橡胶隔垫24共设置有4个，在所述箱体1的前后面各设置有2个。
进一步地，所述水体采样装置包括水体采样注射器25、水体采样管9和弹簧夹21；所述水体采样注射器25在所述箱体1外部通过所述水体采样管9气密地穿过所述箱体1壁连通所述水培箱3，所述水体采样管9上设置有弹簧夹，保证气密性。打开弹簧夹，即可通过水体采样注射器25抽取水样，用于分析，取完水样后重新夹上弹簧夹即可。
进一步地，所述箱体1的壁上嵌入空心双头螺栓19，所述空心双头螺栓位于所述箱体外部的一端通过所述水体采样管与所述水体采样注射器相连，所述空心双头螺栓位于所述箱体内部的一端通过所述水体采样管与所述水培箱相连。
进一步地，所述水体采样装置共设置有4，分别与箱体1内的4个水培箱相对应。气体采样装置和水体采样装置均可在不同时间点采样，便于分析实验过程中气体和水体中元素的变化规律。此外，当水培箱中15N耗尽时，水体采样口也可作为15N标记水体的进水口，用于15N的连续标记。
进一步地，所述气体混匀装置5包括4个风扇，用于混匀气体；所述冷凝装置6为冷凝管，所述冷凝装置6插入箱体1的部分环绕箱体内部6圈；所述补光装置20为白色LED灯。冷凝管的进口通过硅胶管注入冰水，当箱体中气温过高时，可通过冰水在管内的回流进行降温。当阴天或室内光线较弱时可通过LED灯补充光照。
进一步地，所述4个风扇分别位于所述箱体1的顶面对角线的两端和底面对角线的两端，所述顶面对角线与所述底面对角线的投影相交叉。
进一步地，所述风扇直径为10cm。
进一步地，所述冷凝管直径为1cm。
进一步地，所述同位素双标记装置还包括一个在箱体1内部与箱体相连的平台23，所述平台23上放置所述CO2检测仪17；所述平台23上还设置有温度计和湿度计。
进一步地，所述箱体1、反应池4、水培箱3、内置平台23均为厚度5mm的有机玻璃材质。
本实用新型的优点在于：
本实用新型所述装置可在密封条件下进行气样和水样的多时间点采样，气样和水样的采样均不会对背景环境造成干扰。气体采样口采用的橡胶隔垫可用注射器针头反复插入，拔出后不影响装置气密性。水体采样口通过与硅胶管相连的注射器取样，硅胶管上的弹簧夹可随时开合，方便取样，硅胶管深入水培箱内的液体中，进一步保证了装置的气密性。因此可根据实验设计，在不同时间点分批次取样，进而探究元素在气体和水体中的迁移和转化规律。
本实用新型的13CO2生成系统中的CO2反应溶液存储袋可更换，因此可连续进行13C标记。水体采样口同时也可作为水体进水口，当水培箱中的15N耗尽时，可通过采样口注入一定量的15N标记溶液到水培箱中，使15N标记继续进行。这样就可在植物整个生长期内连续对其进行碳氮标记。
本实用新型可通过打开与箱体相连的高纯空气钢瓶、箱体底部的排水口和位于箱体上部的CO2生成系统中的空心双头螺栓，置换箱体中的空气，迅速降低箱体内部CO2底物浓度，结合13CO2生成系统，大大增加13CO2含量比例，减少实验过程中的同位素分馏现象。特别是针对低浓度CO2标记效率不高的现象，效果显著。
本实用新型不局限于气体和水体的双标记，也不局限于碳（C）元素和氮（N）元素的双标记，其应用范围可扩展到气体与土壤之间，研究大气—植物—土壤之间碳氮循环的相关问题，也可探究其他元素转化或物质代谢的标记示踪，如C元素与O元素的双标记研究、13C或15N标记的各类物质在气体—植物—水体/土壤中的代谢通路研究。
附图说明
图1为本实用新型整体装置结构示意图。
图2为本实用新型气体采样装置示意图。
图3为本实用新型液体采样装置示意图。
其中，1是箱体，2是进样口，3是水培箱，4是反应池，5是风扇，6是冷凝装置，7是冷凝管出口，8是冷凝管进口，9是水体采样管，10是排水口，11是CO2反应溶液存储袋，12是调速阀，13是电线出口，14是高纯空气气瓶，15是减压阀，16是温度计和湿度计，17是CO2检测仪，18是粗硅胶管，19是空心双头螺栓，20是补光装置，21是弹簧夹，22是进气口，23是平台，24是橡胶隔垫，25是水体采样注射器，26是气体采样注射器，27是气体采样阀门。
具体实施方式
本实用新型的整体装置结构示意图如图1-3所示，
一种多时间点采样的连续碳氮同位素双标记装置，包括透明密封箱体1、13CO2生成系统、CO2浓度控制及监测系统、水生植物培养及15N标记装置和采样系统；
所述透明密封箱体1包括进样口2、进气口22和排水口10；
所述13CO2生成系统气密地连通所述箱体1的内部；
所述CO2浓度控制及监测系统包括CO2检测仪17和高纯空气气瓶14，所述CO2检测仪17置于所述箱体1内部；所述高纯空气气瓶14通过粗硅胶管连通所述进气口22；
所述水生植物培养及15N标记装置包括植物水培箱3，所述水培箱3中放有15N标记的水及水生植物；所述水生植物培养及15N标记装置置于所述箱体1内部；
所述采样系统包括气体采样装置和水体采样装置，所述气体采样装置气密地连通所述箱体1的内部；所述水体采样装置气密地连通所述水培箱3内部。
所述同位素双标记装置还包括环境控制系统，所述环境控制系统，包括气体混匀装置5、冷凝装置6及补光装置20；
所述气体混匀装置5置于所述箱体1内部；
所述冷凝装置6气密地插入所述箱体1内部；
所述补光装置20置于所述箱体1内部的上表面。
所述箱体1长宽高的内径分别为1.0m、0.4m、0.6m。
所述进气口22或排水口10为带阀门的金属管道，管道穿过箱体，阀门在箱体外部。
所述排水口有2个。
所述进样口2位于箱体1正面中间位置，为直径0.2m的圆形孔，配合所述进样口2设置有进样口盖，所述进样口盖与所述进样口2通过螺纹密封连接，保证装置的气密性。进样口2用于水培箱和植物的进出。
密封箱中所有的电线全部通过箱体1上设置的电线出口13引出，用改性丙烯酸酯胶粘剂密封电线出口13及电线间的空隙，保证密封严实。
所述电线出口处的电线上设置有开关。
所述13CO2生成系统包括CO2反应溶液存储袋11、输液管、调速阀12和反应池4；所述反应池4置于所述箱体1内部，所述CO2反应溶液存储袋11在所述箱体1外部通过所述输液管气密地穿过所述箱体1壁连通所述反应池4；所述输液管上设置有所述调速阀12。
所述箱体1的壁上嵌入空心双头螺栓，所述空心双头螺栓位于所述箱体外部的一端通过所述输液管与所述CO2反应溶液存储袋相连，所述空心双头螺栓位于所述箱体内部的一端通过所述输液管与所述反应池相连。
所述反应池4长宽高均为0.15m。该13CO2生成系统可通过更换CO2反应溶液存储袋进行13C的连续标记。
所述高纯空气成分为：79%N2、21%O2，CO2含量为2ppmv。
所述植物水培箱为内径0.18m、高0.22m的圆柱形水培箱。
所述水培箱共设置有4个。
所述气体采样装置包括气体采样注射器26、气体采样阀门27和橡胶隔垫24，所述橡胶隔垫24嵌在所述箱体1中，所述气体采样注射器26与针头通过所述气体采样阀门27相连，将针头插入橡胶隔垫即可抽取箱体中的气体用于分析，关闭三通阀开关后再抽出针头，可以免气体污染。橡胶隔垫为岛津201-35584号气相色谱进样橡胶隔垫，可反复插入针头抽取气体。
所述气体采样阀门为三通阀开关转换接头。
所述橡胶隔垫24共设置有4个，在所述箱体1的前后面各设置有2个。
所述水体采样装置包括水体采样注射器25、水体采样管9和弹簧夹21；所述水体采样注射器25在所述箱体1外部通过所述水体采样管9气密地穿过所述箱体1壁连通所述水培箱3，所述水体采样管9上设置有弹簧夹，保证气密性。打开弹簧夹，即可通过水体采样注射器25抽取水样，用于分析，取完水样后重新夹上弹簧夹即可。
所述箱体1的壁上嵌入空心双头螺栓19，所述空心双头螺栓位于所述箱体外部的一端通过所述水体采样管与所述水体采样注射器相连，所述空心双头螺栓位于所述箱体内部的一端通过所述水体采样管与所述水培箱相连。
所述水体采样装置共设置有4，分别与箱体1内的4个水培箱相对应。气体采样装置和水体采样装置均可在不同时间点采样，便于分析实验过程中气体和水体中元素的变化规律。此外，当水培箱中15N耗尽时，水体采样口也可作为15N标记水体的进水口，用于15N的连续标记。
所述气体混匀装置5包括4个风扇，用于混匀气体；所述冷凝装置6为冷凝管，所述冷凝装置6插入箱体1的部分环绕箱体内部6圈；所述补光装置20为白色LED灯。冷凝管的进口通过硅胶管注入冰水，当箱体中气温过高时，可通过冰水在管内的回流进行降温。当阴天或室内光线较弱时可通过LED灯补充光照。
所述4个风扇分别位于所述箱体1的顶面对角线的两端和底面对角线的两端，所述顶面对角线与所述底面对角线的投影相交叉。
所述风扇直径为10cm。
所述冷凝管直径为1cm。
所述同位素双标记装置还包括一个在箱体1内部与箱体相连的平台23，所述平台23上放置所述CO2检测仪17；所述平台23上还设置有温度计和湿度计16。
所述箱体1、反应池4、水培箱3、内置平台23均为厚度5mm的有机玻璃材质。
使用时，首先将具有一定丰度的15N标记物溶于营养液/河水中，配置成15N标记的水，将标记了15N的水放入水培箱中，每个水培箱5L，每个水培箱中放入所需用量的水生植物。打开电源开关、风扇和CO2检测仪。打开排气口、排水口以及位于箱体上部的CO2生成系统中的空心双头螺栓，打开高纯空气气瓶上的减压阀，立即将高纯空气充入箱体，待CO2检测仪显示CO2浓度在100±20ppm时，关闭所有阀门。计算目标CO2浓度所需的HCl和Na2 13CO3（原子丰度32.67%）的量。将过量的HCl溶液装入CO2反应溶液存储袋，随后将Na2 13CO3溶液装入输液袋，通过调速阀控制滴速，反应2h，使箱体内CO2浓度稳定。设置对照，待箱体中CO2浓度分别达到400ppm和800ppm时，可以进行进一步的实验。若箱内温度超过30℃时，通过冷凝管进口和出口向冷凝管中通入回流冰水，可迅速降低温度。
采集气体样品时，将气体采样注射器的针头插入橡胶隔垫即可抽取箱体中的气体。
采集水体样品时，打开水体采样装置的弹簧夹，即可通过水体采样注射器抽取水样，取完水样后重新夹上弹簧夹。
Claims (10)
1.一种多时间点采样的连续碳氮同位素双标记装置，其特征在于，包括透明密封箱体（1）、13CO2生成系统、CO2浓度控制及监测系统、水生植物培养及15N标记装置和采样系统；
所述透明密封箱体（1）包括进样口（2）、进气口（22）和排水口（10）；所述13CO2生成系统气密地连通所述箱体（1）的内部；
所述CO2浓度控制及监测系统包括CO2检测仪（17）和高纯空气气瓶（14），所述CO2检测仪（17）置于所述箱体（1）内部；所述高纯空气气瓶（14）连通所述进气口（22）；
所述水生植物培养及15N标记装置包括植物水培箱（3），所述水培箱（3）中放有15N标记的水及水生植物；所述水生植物培养及15N标记装置置于所述箱体（1）内部；
所述采样系统包括气体采样装置和水体采样装置，所述气体采样装置气密地连通所述箱体（1）的内部；所述水体采样装置气密地连通所述水培箱（3）内部。
2.根据权利要求1所述的同位素双标记装置，其特征在于，还包括环境控制系统；
所述环境控制系统，包括气体混匀装置（5）、冷凝装置（6）及补光装置（20）；
所述气体混匀装置（5）置于所述箱体（1）内部；
所述冷凝装置（6）气密地插入所述箱体（1）内部；
所述补光装置（20）置于所述箱体（1）内部的上表面。
3.根据权利要求1所述的同位素双标记装置，其特征在于，所述进样口（2）位于箱体（1）正面中间位置，配合所述进样口（2）设置有进样口盖，所述进样口盖与所述进样口（2）通过螺纹密封连接。
4.根据权利要求1所述的同位素双标记装置，其特征在于，所述13CO2生成系统包括CO2反应溶液存储袋（11）、输液管、调速阀（12）和反应池（4）；所述反应池（4）置于所述箱体（1）内部，所述CO2反应溶液存储袋（11）在所述箱体（1）外部通过所述输液管气密地穿过所述箱体（1）壁连通所述反应池（4）；所述输液管上设置有所述调速阀（12）。
5.根据权利要求1所述的同位素双标记装置，其特征在于，所述气体采样装置包括气体采样注射器（26）、气体采样阀门（27）和橡胶隔垫（24），所述橡胶隔垫（24）嵌在所述箱体（1）中，所述气体采样注射器（26）与针头通过所述气体采样阀门（27）相连。
6.根据权利要求5所述的同位素双标记装置，其特征在于，所述橡胶隔垫（24）共设置有4个，在所述箱体（1）的前后面各设置有2个。
7.根据权利要求1所述的同位素双标记装置，其特征在于，所述水体采样装置包括水体采样注射器（25）、水体采样管（9）和弹簧夹（21）；所述水体采样注射器（25）在所述箱体（1）外部通过所述水体采样管（9）气密地穿过所述箱体（1）壁连通所述水培箱（3），所述水体采样管（9）上设置有弹簧夹。
8.根据权利要求2所述的同位素双标记装置，其特征在于，所述气体混匀装置（5）包括4个均匀分布的风扇；所述冷凝装置（6）为冷凝管，所述冷凝装置（6）插入箱体（1）的部分环绕箱体内部6圈；所述补光装置（20）为白色LED灯。
9.根据权利要求1所述的同位素双标记装置，其特征在于，还包括一个在箱体（1）内部与箱体相连的平台（23），所述平台（23）上放置所述CO2检测仪（17）；所述平台（23）上还设置有温度计和湿度计。
10.根据权利要求1所述的同位素双标记装置，其特征在于，所述的水培箱（3）共设置有4个。
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| CN201721359071.6U CN207318164U (zh) | 2017-10-20 | 2017-10-20 | 一种多时间点采样的连续碳氮同位素双标记装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108801735A (zh) * | 2018-06-26 | 2018-11-13 | 深圳雨伦环境科技有限公司 | 一种植物叶片水同位素富集信号标记系统及标记方法 |
| CN111320158A (zh) * | 2020-02-25 | 2020-06-23 | 南京林业大学 | 一种获得13c和15n双标记植物的方法及其在制备生物质炭中的应用 |
| CN114097594A (zh) * | 2021-11-24 | 2022-03-01 | 南开大学 | 一种高效氮同位素标记植物的方法 |
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| WO2021169154A1 (zh) * | 2020-02-25 | 2021-09-02 | 南京林业大学 | 一种获得13c和15n双标记植物的方法及其在制备生物质炭中的应用 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |