專利名稱：一種同步采集大氣CO₂及水汽樣品的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及大氣學、水文學、生態學機械裝置領域，具體涉及一種同步采集大氣 C02及水汽樣品的裝置和方法。主要是用于同步采集大氣中CO2和水汽樣品，用于分析大氣 CO2和水汽濃度，并將同步采集的樣品用譜儀測定CO2中13C和水汽中2H或D。
背景技術：
CO2是組成大氣的一種重要組成成份，目前大氣中CO2濃度達到了 380 μ ppm,是地球歷史上65萬年以來的最高值，而且過去10年中大氣C02濃度以每年1.8ymol.mol-l的速度增長。CO2濃度可以作為衡量大氣質量優劣的標準之一，雖然其組成在大氣占比例較小，對于生物尤其是綠色植物和動物卻意義重大，綠色植物需要利用大氣中的CO2、陽光和水合成營養物質，并釋放氧氣，為人類和其他動物呼吸大氣來獲取氧氣，維持生命。除此以外，現在CO2濃度被社會普遍關注是因為CO2是溫室氣體之一，主要來源于化石燃料煤、石油燃燒、農業和畜牧業的中間過程、垃圾處理等人類活動。目前，在全球范圍內開展了大量工作來監測大氣中CO2濃度的變化規律及其影響機制。由于CO2的化學惰性較強，很難通過化學方法去除，陸地生態系統碳循環是一個活的動態生物過程，能夠通過植物等的光合作用吸收CO2并合成各種碳水化合物，在經過各種生理代謝過程后，一部分碳最后以有機物的形式貯存下來，從而可以降低大氣中的CO2濃度，通過自然生態系統吸收和固定大氣CO2是最為重要而且比較經濟的途徑之一。穩定性碳同位素在自然界主要有兩種類型，即12C和13C,其中絕大部分是 12C98.9%，而13C僅占I. 1%，一般用該同位素摩爾數相對于標準物質中的同位素摩爾數的相對比值來表示，即用δ符號表示同位素比值，單位為千分之一(％。)δ = (R/Rs-1) X 1000對于CO2中13C的含量可以用δ 13C來表示，其中Rs為標準物質，碳穩定性同位素國際標準為美國南加州白堊紀的美洲擬箭石(Pee Dee Belemnite，簡稱TOB)其標準為Η)Β， 其中 PDB -.13CZ12C = (11237. 2±90)*10_6。氧穩定性同位素主要有16O和180，氫穩定性同位素主要有1H和2H即D地球上水中氧的18O約有0.2%，氫中2H或D有O. 015%。目前國際上采用維也納標準平均海水 (Vienna Standard Mean Ocean Water, VSMOff)作為氧和氧穩定同位素的標準物，180/160 = O. 0020052，D/H = O. 00015576。D/H = O. 00015576。植物在光合作用過程中，因同位素擴散效應和光合酶系統對同位素的分餾作用， 結果導致了植物光合過程中所合成的碳水化合物中13C貧化，同時也使葉片周圍大氣CO2的 13C得到富集，并且最后導致了植物體內的S13C值明顯比大氣CO2的S13C-8%。偏低。生態系統光合和呼吸作用對大氣中CO2濃度及其13C組成有截然相反的影響光合作用使周圍大氣中的CO2濃度下降，并使大氣CO2中的13C得到富集；而呼吸作用則相反，使大氣CO2濃度升高，并使13C貧化。利用生態系統碳交換過程中的穩定性同位素的變化特征以及對大氣的特定影響，碳氧穩定性同位素技術在全球碳平衡的研究中有廣泛的應用，可以解決過去常規方法無法解決的很多問題，已經成為研究生態系統碳交換機理的最為有效的技術手段之近年來，在大氣科學與生態學研究中越來越重視分析與測定大氣CO2中的13C來研究大氣CO2來源、生態系統與大氣間的相互作用、陸地與海洋生態系統在吸收與固定大氣CO2能力以及陸地生態系統光合與呼吸作用等生態功能與環境因子的關系等諸多研究領域。由于原位測定CO2中13C較為困難，需要特殊的儀器設備，因此目前相關的研究仍然大量采用野外采樣運回實驗室用質譜儀進行分析的研究方法。但是，由于大氣中CO2含量很低350-380ppm，其13C含量更低，僅占I. 11 %，因此不僅對測定與分析的儀器精度要求高，而且對采樣方法及采樣設備要求也很高，避免各種污染，需要高氯酸鎂等強吸水劑去除水汽， 否則會嚴重影響測定結果。本發明利用液氮與酒精混合后的低溫冷阱進行對水汽進行冷凝與冷凍，在達到除水目的的同時可以采集水汽樣品，實現大氣CO2采樣與水汽采樣的同步進行。大氣中的水汽來源于陸地生態系統的蒸騰和土壤及水面蒸發等兩種不同的生物和物理過程，土壤蒸發與植物蒸騰能夠顯著影響大氣水汽H和O同位素組成。在土壤水分蒸發過程中，由于水分相變和擴散過程中穩定同位素分餾效應的存在，輕穩定同位素比重穩定同位素蒸發和擴散得更快，所以土壤水中S 18O明顯隨深度而呈現梯度變化，且土壤液態水中H218O比土壤蒸發的氣態水中H218O高很多，土壤蒸發δ180(δΕ)會發生嚴重的貧化，導致大氣水汽中D和18O貧化。對于植物而言，氧穩定同位素以水的形式從根部進入植物體內， 蒸騰作用使水分向葉片遷移，水分在進入植物和體內運輸時，不發生同位素分餾效應，仍保持著土壤水的同位素特征，因此植物體內水的S 18O主要受所吸收水源的δ 18O控制。而當處于同位素穩定狀態時，即蒸騰釋放的水汽量與植物運到葉片部位的水量相等時，蒸騰釋放的水汽與植物體木質部及土壤來源水的同位素組成相同，但與土壤蒸發所釋放的水汽同位素組成形成明顯差異，利用這種差異及水汽輕、重同位素通量的質量守恒方程，便可確定蒸騰與土壤蒸發對大氣中水汽的貢獻與影響，并確定各自對大氣水汽貢獻。通常植物蒸騰 S τ和土壤蒸發δ Ε可以分別通過測定植物木質部水和土壤水的氫氧同位素比值來確定。準確測定生態系統蒸散氫氧同位素比值(Set)成為解決該科學問題的關鍵。雖然目前對生態系統蒸散氫氧同位素比值測定原理與方法有所報道，但是在野外對水汽進行采樣仍然需要較高的技術，由于水汽在冷凝和蒸發過程中均容易發生分餾效應，本發明采用液氮與酒精進行混合，保證水汽冷凝過程中的低溫并避免溫度波動，才能保證在水汽在被采集過程中不發生同位素分餾效應，實現水汽的采樣，同時經過這樣除水后的大氣可以直接進行CO2樣品的采集，為分析大氣CO2的13C含量提供樣品，同時為分析測定水汽中的2H和18O提供樣品。便于野外安裝及拆卸

發明內容
為了實現上述相關科學研究目的，本發明提供一種同步采集大氣CO2和水汽同位素樣品的裝置及測定方法。便于野外安裝及拆卸，令阱采用液氮與酒精進行混合，保證水汽冷凝過程中的低溫并避免溫度波動，保證在水汽在被采集過程中不發生同位素分餾效應。本發明提供如下解決方案一種單獨或同步采集大氣CO2及水汽樣品的裝置，包括大氣過濾系統、氣體抽取系統、大氣CO2和H2O濃度分析測定模塊、水汽冷凝及貯存系統、CO2氣體采樣儲存系統。還可包括氣體干燥系統。大氣過濾系統由氣體采樣口 I,大氣過濾器2，安裝支架3，進氣管4組成；氣體抽取系統由小型直流氣泵5，可調直流電源6，流量計7組成；大氣CO2及H2O濃度分析測定模塊由多通道選擇電磁閥組8，大氣CO2和H2O濃度分析儀9組成；水汽冷凝及貯存系統由三通選擇閥10，-69°C低溫冷阱(酒精+液氮混合)13，快速連接接頭112和U型玻璃管12組成；C02氣體采樣儲存系統由快速連接接頭113，變徑接頭15、雙孔針16和CO2樣品瓶17組成；備選的氣體干燥系統由三通選擇閥10和快速連接接頭111及干燥管14組成。本發明進一步提供了上述裝置的用途。利用該裝置可單獨或同步采集大氣CO2及水汽樣品。用于森林、草地和農田等生態系統內外空氣CO2和水汽樣品的采集，或用于大氣中CO213C和水汽δ 18O和δ D變化的研究或觀測。本發明進一步提供了上述裝置的使用方法，大氣由安裝在不同高度處的支架3氣體采樣口 I進入，經過空氣過濾器2過濾后進入進氣管4，然后由小型直流氣泵5抽取后， 用可調電源6及流量計7調節氣體流量在lL/min，由多通道選擇電磁閥組8將氣體分成兩路，一路氣體進入大氣CO2和H2O濃度分析儀，另外一路經三通選擇閥10和置于低溫冷阱13 內的水汽冷凝及貯存的U型玻璃管12中，水汽在這里被冷凝成水及冷凍成冰，除水后含CO2 的氣體經三通選擇閥10、快速連接接頭113、變徑接頭15后由雙孔針16注入樣品瓶17中， 完成同步采樣過程。采用本發明所述的裝置及方法還可以單獨采集CO2或水汽樣品。當采用本發明所述的裝置及方法單獨采集CO2樣品時，氣體不經水汽冷凝及貯存系統，由三通選擇閥10調整經由快速連接接頭111及干燥管14去除水汽，由CO2氣體采樣儲存系統收集氣體。當采用本發明所述的裝置及方法單獨采集水汽樣品時，氣體不經干燥器，由三通選擇閥10調整經由快速連接接頭112進入U型玻璃管12中，水汽被冷凝成水和冷凍成冰， 采集水汽樣品。本發明提供的裝置，便于野外安裝及拆卸，使用方便。冷阱采用液氮與酒精進行混合，特別是將溫度控制在-69°C，保證水汽冷凝過程中的低溫并避免溫度波動，保證在水汽在被采集過程中不發生同位素分餾效應。同時，通過精巧的設計，實現單獨或同步采集大氣 CO2和水汽樣品。


圖I是本發明裝置的結構示意圖；圖中I為氣體采樣口，2為大氣過濾器，3為安裝支架，4為進氣管，5為小型直流氣泵，6為可調直流電源，7為流量計，8為多通道選擇電磁閥組，9為大氣CO2和H2O濃度分析儀，10為三通選擇閥，111、112、113為快速連接接頭，12為U型玻璃管，13為低溫冷阱，14 為備選的氣體干燥系統，15為變徑接頭，16為雙孔針，17為CO2樣品瓶。
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發明的技術方案，但不構成對本發明的限制
本發明提供一種單獨或同步采集大氣CO2和水汽樣品的裝置和方法。一種同步采集大氣CO2及水汽樣品的裝置，包括大氣過濾系統、氣體抽取系統、大氣CO2和H2O濃度分析測定模塊、水汽冷凝及貯存系統、CO2氣體采樣儲存系統和氣體干燥系統。I)大氣過濾系統，包括氣體采樣口 I及帶有可更換過濾膜(孔徑為O. 45um)的空氣過濾器2及安裝支架3和進氣管4。在需要時利用支架3，將氣體采樣口安裝在不同高度處，采樣口裝有孔徑為Imm左右的尼龍網，防止昆蟲等進入，過濾器為孔徑O. 45um的聚四氟乙烯膜，可以過濾大氣中的顆粒物，避免污染，采樣的進氣管4采用特氟龍塑料管，避免水汽等凝結和附著。2)氣體抽取系統，包括一個小型直流氣泵5、可調直流電源6及流量計7組成。通過調節可調電源的輸出電壓，來改變氣泵的輸入電壓，不斷調整流速并用流量計觀察，直到流量在lL/min左右。通過一個可調直流電源6提供不同電壓調節小型直流氣泵5轉速，可實現多路氣體流量同步調節；結合流量計上的7針閥，實現氣體流量的單獨或精密調節。3)大氣CO2及H2O濃度分析測定模塊，大氣經過多通道選擇電磁閥組8 (可以實現多路控制，便于CO2和水汽分析儀19完成分析工作)，進入CO2和H2O濃度分析儀9，其測定結果可通過數據線與數據采集器或計算機連接后，進行記錄；4)水汽冷凝及貯存系統，包括三通選擇閥10，-69°C低溫冷阱13，快速連接接頭 112和U型玻璃管12。低溫冷阱持溫_69°C，耐低溫的U型玻璃管12為杜瓦瓶。_69°C低溫通過酒精與液氮混合后獲得，在無法獲得液氮和無水酒精的地方可以通過電子制冷器獲得足夠低溫，使得空氣中水汽可以完全凝結，不會產生D和18O同位素分餾效應。大氣經多通道選擇電磁閥組8后，再經兩個三通選擇閥10、二個快速連接接頭 112，到達置于冷阱中的U型玻璃管12，通過低溫使水汽冷凝及冷凍下來，并暫時貯存在U型玻璃管中，在收集到足夠量的樣品O. 5-lml時，將U型玻璃管從快速連接接頭112取出，兩端用封口膜封好，在室溫下融化成液態水，然后轉移到樣品瓶，再用質譜儀完成分析與測定工作。5) CO2氣體采樣及儲存系統，去除水汽后的大氣經過變徑接頭15，由側開口的雙孔針16注入樣品瓶17完成樣品采樣工作。雙孔針頭內有兩根細管，一根進氣，另一個出氣，完成樣品瓶的清洗和混合等功倉泛。樣品瓶帶極低污染橡膠墊和蓋的樣品瓶17，保證氣密性的同時，避免其他污染，在樣品瓶內貯存的CO2氣體樣品盡快用質譜儀完成分析與測定工作。樣品瓶17使用玻璃材質，橡膠墊使用帶聚四氟乙烯膜。6)備選的大氣干燥器14，兩端與兩個快速連接接頭111連接到三通選擇閥10，便于拆裝，在僅需采集CO2樣品時，可以裝入高氯酸鎂等強吸水劑對氣體進行干燥。實施例一種單獨或同步采集大氣CO2及水汽樣品的裝置，包括大氣過濾系統、氣體抽取系統、大氣CO2和H2O濃度分析測定模塊、水汽冷凝及貯存系統、CO2氣體采樣儲存系統和氣體干燥系統。
大氣過濾系統由氣體采樣口 I,大氣過濾器2，安裝支架3，進氣管4組成；氣體抽取系統由小型直流氣泵5，可調直流電源6，流量計7組成；大氣CO2及H2O濃度分析測定模塊由多通道選擇電磁閥組8，大氣CO2和H2O濃度分析儀9組成；水汽冷凝及貯存系統由三通選擇閥10，-69°C低溫冷阱(酒精+液氮混合)13，快速連接接頭112和U型玻璃管12組成；C02氣體采樣儲存系統由快速連接接頭113，變徑接頭15、雙孔針16和CO2樣品瓶17組成；備選的氣體干燥系統由三通選擇閥10和快速連接接頭111及干燥管14組成。大氣由安裝在不同高度處的支架3氣體采樣口 I進入，經過空氣過濾器2過濾后進入進氣管4，然后由小型直流氣泵5抽取后，用可調電源6及流量計7調節流量在lL/min 左右，由多通道選擇電磁閥組8將氣體分成兩路，一路氣體進入大氣CO2和H2O濃度分析儀， 另外一路經三通選擇閥10和置于低溫冷阱13內的水汽冷凝及貯存的U型玻璃管12中， 水汽在這里被冷凝成水及冷凍成冰，除水后的CO2等氣體經三通選擇閥10、快速連接接頭 113、變徑接頭15后由雙孔針16注入樣品瓶17中，完成同步采樣過程(此時快速連接接頭 111關閉)。大氣由三通選擇閥10經快速連接接頭112進入U型玻璃管12中，水汽被冷凝成水和冷凍成冰，在經過一段時間后水汽樣品積累到一定量(O. 5-lml)，就可以將U型玻璃管 12從系統中取下，兩端用封口膜封好后，直接冷凍保存或在室溫下融化后，用質譜儀進行分析，或轉移到樣品瓶中，并冷凍保存，直到進行分析。大氣在經過U型玻璃管12除去水汽后，經變徑接頭15和雙孔針16進入CO2樣品貯存瓶中，經過充分的沖洗后，將雙孔針16從樣品瓶中拔出來，略微擰緊一些密封的瓶蓋， 確保不漏氣，隨后用質譜儀測定13c。采用本發明所述的裝置及方法不僅可以單獨采集CO2或水汽樣品，而且可以同步采集大氣CO2和水汽樣品，并可以通過快速接頭111、112、113進行快速連接和利用三通選擇閥10進行氣路切換，完全可以在野外完成快速切換和組裝，為開展相關的同位素生態學提供了強有力的工具。當采用本發明所述的裝置及方法單獨采集CO2樣品時，氣體不經水汽冷凝及貯存系統，由三通選擇閥10調整經由快速連接接頭111及干燥管14去除水汽，由CO2氣體采樣儲存系統收集氣體。當采用本發明所述的裝置及方法單獨采集水汽樣品時，氣體不經干燥器，由三通選擇閥10調整經由快速連接接頭112進入U型玻璃管12中，水汽被冷凝成水和冷凍成冰， 采集水汽樣品。
權利要求
1.一種單獨或同步采集大氣CO2及水汽樣品的裝置，其特征在于包括大氣過濾系統、氣體抽取系統、大氣CO2和H2O濃度分析測定模塊、水汽冷凝及貯存系統、CO2氣體采樣儲存系統和氣體干燥系統。
2.如權利要求I所述的裝置，其特征在于大氣過濾系統由氣體采樣口(I)，大氣過濾器(2)，安裝支架(3)和進氣管(4)組成；氣體抽取系統由小型直流氣泵(5)，可調直流電源(6)和流量計(7)組成；大氣0)2及!120濃度分析測定模塊由多通道選擇電磁閥組(8)，和大氣CO2和H2O濃度分析儀(9)組成；水汽冷凝及貯存系統由三通選擇閥(10)，_69°C低溫冷阱(13)，快速連接接頭(112)和U型玻璃管(12)組成；C02氣體采樣儲存系統由快速連接接頭(113)，變徑接頭(15)、雙孔針(16) 和CO2樣品瓶(17)組成；氣體干燥系統由三通選擇閥(10)和快速連接接頭(111)及干燥管(14)組成。
3.如權利要求I或2所述的裝置，其特征在于低溫冷阱由酒精+液氮混合制冷，或者通過電子制冷器制冷。
4.權利要求1-3任一所述裝置在單獨或同步采集大氣CO2及水汽樣品方面的用途。
5.如權利要求4所述的用途，其特征在于該裝置用于森林、草地或農田生態系統內外空氣CO2和水汽樣品的采集，或用于大氣中CO213C和水汽δ180和SD變化的研究或觀測。
6.權利要求2-3任一所述裝置的使用方法，其特征在于大氣由安裝在不同高度處的支架(3)氣體采樣口(I)進入，經過空氣過濾器(2)過濾后進入進氣管(4)，然后由小型直流氣泵(5)抽取后，用可調電源(6)及流量計(7)調節氣體流量在lL/min，由多通道選擇電磁閥組(8)將氣體分成兩路，一路氣體進入大氣CO2和 H2O濃度分析儀，另外一路經三通選擇閥(10)和置于低溫冷阱(13)內的水汽冷凝及貯存的 U型玻璃管(12)中，水汽在這里被冷凝成水及冷凍成冰，除水后含CO2的氣體經三通選擇閥 (10)、快速連接接頭(113)、變徑接頭(15)后由雙孔針(16)注入樣品瓶(17)中，完成同步采樣過程。
7.權利要求2-3任一所述裝置的使用方法，其特征在于單獨采集CO2或水汽樣品當單獨采集CO2樣品時，氣體不經水汽冷凝及貯存系統，由三通選擇閥(10)調整氣體經由快速連接接頭(111)及干燥管(14)去除水汽，由CO2氣體采樣儲存系統收集氣體；或者當單獨采集水汽樣品時，氣體不經干燥器，由三通選擇閥(10)調整氣體經由快速連接接頭(112)進入U型玻璃管(12)中，水汽被冷凝成水和冷凍成冰，采集水汽樣品。
全文摘要
本發明提供了一種單獨或同步采集大氣CO2及水汽樣品的裝置和方法，主要用于野外同步采集空氣CO2及水汽樣品，特別適用于同時分析空氣中CO2和水汽濃度，以及CO2中13C及水汽中2H(D)/18O同位素組成；同時本裝置及方法還適用于單獨采集CO2或水汽樣品。本發明廣泛用于生態學、大氣和環境方面的研究，便于野外安裝及拆卸。本發明的裝置包括大氣過濾系統、氣體抽取系統、大氣CO2和H2O濃度分析測定模塊、水汽冷凝及貯存系統、CO2氣體采樣儲存系統和氣體干燥系統。
文檔編號G01N1/14GK102589936SQ20121000735
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月12日 優先權日2012年1月12日
發明者于貴瑞, 孫曉敏, 張雷明, 李慶康, 溫學發, 王晶苑 申請人:中國科學院地理科學與資源研究所