一种用于深海的生物地球化学原位实验装置的制作方法

本发明涉及生物地球化学培养实验技术领域，特别涉及一种用于深海的生物地球化学原位实验装置。

背景技术：

随着科学的发展，越来越多的科学问题聚焦于海洋领域，其中包括生物地球化学等相关的领域。

目前的多数实验样品是通过取样器、取水器等取样方式将海水等样品从海底携带到海面，最后在实验室内进行生物化学培养与分析。

但在此过程，样品已脱离原有的低温、高压生活环境，样品的有效性有的商榷。

通过前期的调研，目前鲜有类似深海生物地球化学的原位实验装置的相关报道。因此，结合前期的工程需求和原理设计方案，研发一种用于深海的生物地球化学原位实验装置，为探索海洋生物地球化学之间的相互作用机理提供实验平台。

技术实现要素：

根据生物地球化学原位观测科研需求，本发明提出一种用于深海的生物地球化学原位实验装置，可以将现有实验室内的实验过程与方法放置海底原位进行实施，达到深海生物地球化学实验装置在深海原位定时、定量自动进行样品培养和标记实验的目的。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于深海的生物地球化学原位实验装置，包括：海水进样装置、试剂与培养袋体系、试剂选择-定量装置和控制装置；

所述试剂与培养袋体系包括培养试剂袋、示踪剂试剂袋和终止剂试剂袋；

所述控制装置分别与所述海水进样装置和所述试剂选择-定量装置通讯连接；所述控制装置能够发送电信号至所述海水进样装置和所述试剂选择-定量装置，使海水、所述示踪剂试剂袋内的示踪剂和所述终止剂试剂袋内的终止剂先后进入所述培养试剂袋。

优选的，所述海水进样装置包括海水壳体以及设置在其内的海水蠕动泵和电磁阀；所述海水蠕动泵的入口能够通过所述海水壳体与外界接触，所述电磁阀设置在所述海水蠕动泵出口与所述培养试剂袋之间的通道。

优选的，所述培养试剂袋的数量为多个，每个所述培养试剂袋与所述海水蠕动泵出口之间通道均设置有所述电磁阀。

优选的，所述海水壳体包括腔体以及分别安装在其两端的开孔端盖和密封端盖；所述海水蠕动泵的入口能够通过所述开孔端盖与外界接触。

优选的，所述试剂选择-定量装置包括试剂壳体以及设置在其内的示踪剂定量旋转阀；所述示踪剂定量旋转阀内设置有定量环；

所述海水进样装置还包括设置在所述海水壳体内的示踪剂电磁阀和示踪剂蠕动泵；所述示踪剂蠕动泵的入口连通于所述示踪剂试剂袋；

所述示踪剂定量旋转阀包括多个通道：进示踪剂通道连通于所述示踪剂蠕动泵的出口，排废通道连通于废液袋，海水通道连通于所述海水蠕动泵的出口且通道上设置有所述示踪剂电磁阀，培养袋通道连通于所述培养试剂袋。

优选的，所述示踪剂试剂袋的数量为多个；

所述试剂选择-定量装置还包括设置在所述试剂壳体内的示踪剂选择旋转阀；

所述示踪剂选择旋转阀包括多个通道：多个示踪剂选择通道一一对应连通于多个所述示踪剂试剂袋，示踪剂通道连通于所述示踪剂蠕动泵的入口，进海水通道能够通过所述试剂壳体连通于外界。

优选的，所述培养试剂袋的数量为多个；

所述试剂选择-定量装置还包括设置在所述试剂壳体内的示踪选择培养旋转阀；

所述示踪选择培养旋转阀包括多个通道：多个培养袋选择通道一一对应连通于多个所述培养试剂袋，示踪剂通道连通于所述示踪剂定量旋转阀的培养袋通道，排废通道连通于废液袋。

优选的，所述试剂选择-定量装置包括试剂壳体以及设置在其内的终止剂定量旋转阀；所述终止剂定量旋转阀内设置有定量环；

所述海水进样装置还包括设置在所述海水壳体内的终止剂电磁阀和终止剂蠕动泵；所述终止剂蠕动泵的出口连通于所述终止剂试剂袋；

所述终止剂定量旋转阀包括多个通道：终止剂通道连通于所述终止剂试剂袋，蠕动泵通道连通于所述终止剂蠕动泵的入口，海水通道连通于所述海水蠕动泵的出口且通道上设置有所述终止剂电磁阀，培养袋通道连通于所述培养试剂袋。

优选的，所述培养试剂袋的数量为多个；

所述试剂选择-定量装置还包括设置在所述试剂壳体内的终止选择培养旋转阀；

所述终止选择培养旋转阀包括多个通道：多个培养袋选择通道一一对应连通于多个所述培养试剂袋，终止剂通道连通于所述终止剂定量旋转阀的培养袋通道，排废通道连通于废液袋。

优选的，所述试剂壳体包括腔体以及分别安装在其两端的开孔端盖和密封端盖。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的用于深海的生物地球化学原位实验装置，主要利用同位素示踪法，来获得深海环境的生物地球化学动力学等过程实验数据。在实际运用中，生物地球化学原位实验装置能够在深海原位自动、定时、定量地将反应物和同位素示踪剂分别加入目标培养袋中的海水样品，用示踪元素标记在原位环境中自动发生的生物地球化学反应过程(如硝化反应和反硝化反应)。待生物地球化学反应进行到一定过程后，生物地球化学原位实验装置按照预定的时间进程加入定量的生物地球化学反应终止剂(生物抑制剂)，以抑制培养袋中的生物地球化学反应，反应物、反应产物和同位素示踪剂保存在培养袋中。待回收生物地球化学原位实验装置，取出其中的培养袋，并在实验室内分析反应物、反应产物和同位素示踪剂的含量变化，可获得深海原位环境的生物地球化学动力学等实验数据，为揭示海洋生物地球化学循环机理提供数据支撑和依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的实验装置总体的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的海水进样装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的试剂选择-定量装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的实验装置的工作流路原理简图。

其中，1为海水进样装置，5为开孔端盖，6为拉杆，7为安装盘，8为示踪剂电磁阀，9为终止剂电磁阀，10、11、17、18、19、20、22、23、24和25为培养袋与海水蠕动泵之间通道的电磁阀，12为拉杆，13为安装盘，14为拉杆，15为腔体，16为密封端盖，21为终止剂蠕动泵，26为海水蠕动泵，27为示踪剂蠕动泵；

2为试剂与培养袋体系；

3为试剂选择-定量装置，28为开孔端盖，29为拉杆，30为拉杆，31为安装盘，32为腔体，33为密封端盖，34为示踪剂选择旋转阀，35为示踪剂定量旋转阀，36为示踪选择培养旋转阀，37为终止剂定量旋转阀，38为终止选择培养旋转阀；

4为控制装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的用于深海的生物地球化学原位实验装置，其核心改进点在于，包括：海水进样装置1、试剂与培养袋体系2、试剂选择-定量装置3和控制装置4，其结构可以参照图1所示；

试剂与培养袋体系2包括培养试剂袋、示踪剂试剂袋和终止剂试剂袋；

控制装置4分别与海水进样装置1和试剂选择-定量装置3通讯连接；控制装置4能够发送电信号至海水进样装置1和试剂选择-定量装置3，使海水、示踪剂试剂袋内的示踪剂和终止剂试剂袋内的终止剂先后进入培养试剂袋。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的用于深海的生物地球化学原位实验装置，可在深海原位自动进行定量进样、试剂的定时-定量进样以及终止实验等功能，在深海原位实现全自动生物化学实验。

作为优选，海水进样装置1包括海水壳体以及设置在其内的海水蠕动泵26和电磁阀；海水壳体具有耐压结构能够为其中部件提供保护；海水蠕动泵26的入口能够通过海水壳体与外界接触，电磁阀设置在海水蠕动泵26出口与培养试剂袋之间的通道。采用蠕动泵与其他进样机构相比，具有以下优点：与流体介质不接触，从而避免影响实验，同时流速稳定，适应高压环境工作。

进一步的，培养试剂袋的数量为多个，每个培养试剂袋与海水蠕动泵26出口之间通道均设置有电磁阀，其结构可以参照图2和图4所示。如此设置，可以同时实现多个对比培养实验。在需要海水进培养袋时，控制装置4发送电信号至海水进样装置1，海水进样装置1内海水蠕动泵26和目标培养袋对应通道电磁阀打开，外部海水在海水蠕动泵26抽吸作用下进入目标培养试剂袋。

具体的，海水壳体包括腔体15以及分别安装在其两端的开孔端盖5和密封端盖16；海水蠕动泵26的入口能够通过开孔端盖5与外界接触。其结构可以参照图2所示，海水进样装置1主要包括安装在装置顶部的开孔端盖5，开孔端盖5安装在腔体15上，腔体15的底部安装有密封端盖16，开孔端盖5、腔体15和密封端盖16通过拉杆14进行固定；开孔端盖5上安装拉杆6，拉杆6下端连接安装盘7，安装盘7上安装了蠕动泵22和蠕动泵23；安装盘7下安装了电磁阀8、9、10、11、22、23、24和25；安装盘7下部安装拉杆12，安装盘13通过拉杆12与安装盘7连接固定；安装盘13上安装蠕动泵21和电磁阀17、18、19、20，上述布置方式结构紧凑。

可以通过控制示踪剂试剂袋中示踪剂的量来实现定量加入。在本方案优选的实施例中，试剂选择-定量装置3包括试剂壳体以及设置在其内的示踪剂定量旋转阀35；该示踪剂定量旋转阀35内入口和出口之间设置有定量环，以实现更加精准定量加入示踪剂；

海水进样装置1还包括设置在海水壳体内的示踪剂电磁阀8和示踪剂蠕动泵27；示踪剂蠕动泵27的入口连通于示踪剂试剂袋；

示踪剂定量旋转阀35包括多个通道：进示踪剂通道连通于示踪剂蠕动泵27的出口，排废通道连通于废液袋(以回收避免影响环境)，海水通道连通于海水蠕动泵26的出口且通道上设置有示踪剂电磁阀8，培养袋通道连通于培养试剂袋。采用旋转阀与其他管路切换结构相比，具有体积小、集成度高、和功耗低的优点；

借助上述结构，在需要试剂定量功能时，控制装置4分别发送电信号至海水进样装置1和试剂选择-定量装置3；试剂选择-定量装置3内的示踪剂定量旋转阀35将出口通道选通至排废通道，入口通道选通至进示踪剂通道，海水进样装置1内示踪剂蠕动泵27开启，将示踪剂试剂袋内示踪剂抽吸到管路中，并将管路中旋转阀35的定量环充满；

在需要试剂进培养袋功能时，控制装置4发送电信号至海水进样装置1和试剂选择-定量装置3；试剂选择-定量装置3内的示踪剂定量旋转阀35出口通道切换至培养试剂袋，入口通道切换至海水通道，海水进样控制装置1内的海水蠕动泵26和示踪剂电磁阀8开启，在海水蠕动泵26的抽吸作用下，海水将示踪剂定量旋转阀35定量环内的定量示踪剂携带进入培养试剂袋；

在需要试剂流路清洗功能时，控制装置4发送电信号至海水进样装置1和试剂选择-定量装置3；试剂选择-定量装置3内的示踪剂定量旋转阀35将出口通道选通至排废通道，入口通道选通至进示踪剂通道，海水进样装置1内示踪剂蠕动泵27开启，在示踪剂蠕动泵27的抽吸下海水充满整个流路，替换原管路中充填的示踪剂，从而可以再进行其他实验。

进一步的，示踪剂试剂袋的数量为多个，其结构可以参照图4所示，从满足不同实验的需要；

试剂选择-定量装置3还包括设置在试剂壳体内的示踪剂选择旋转阀34；

该示踪剂选择旋转阀34包括多个通道：多个示踪剂选择通道一一对应连通于多个示踪剂试剂袋，示踪剂通道连通于示踪剂蠕动泵27的入口，进海水通道能够通过试剂壳体连通于外界。即示踪剂蠕动泵27的入口通过示踪剂选择旋转阀34连通于各示踪剂试剂袋。在需要试剂定量功能时，试剂进旋转阀34入口选通目标示踪剂试剂袋通道，出口选通示踪剂通道，从而将目标示踪剂试剂袋内示踪剂抽吸到管路中；在需要试剂流路清洗功能时，试剂进旋转阀34将入口通道选通至进海水通道，出口选通至示踪剂通道。

具体的，培养试剂袋的数量为多个，其结构可以参照图4所示，可以同时实现多个对比培养实验；

试剂选择-定量装置3还包括设置在试剂壳体内的示踪选择培养旋转阀36；示踪选择培养旋转阀36包括多个通道：多个培养袋选择通道一一对应连通于多个培养试剂袋，示踪剂通道连通于示踪剂定量旋转阀35，排废通道连通于废液袋(以回收避免影响环境)。即示踪剂定量旋转阀35通过示踪选择培养旋转阀36连通于各培养试剂袋。在需要试剂进培养袋功能时，示踪选择培养旋转阀36将出口通道调整为目标培养袋选择通道，入口通道选至示踪剂通道，从而海水将定量示踪剂携带进入目标培养试剂袋。

可以通过控制终止剂试剂袋中终止剂的量来实现定量加入。在本方案优选的实施例中，试剂选择-定量装置3包括试剂壳体以及设置在其内的终止剂定量旋转阀37；该终止剂定量旋转阀37内入口和出口之间设置有定量环，以实现更加精准定量加入终止剂；

海水进样装置1还包括设置在海水壳体内的终止剂电磁阀9和终止剂蠕动泵21；终止剂蠕动泵21的出口连通于终止剂试剂袋；

终止剂定量旋转阀37包括多个通道：终止剂通道连通于终止剂试剂袋，蠕动泵通道连通于终止剂蠕动泵21的入口，海水通道连通于海水蠕动泵26的出口且通道上设置有终止剂电磁阀9，培养袋通道连通于培养试剂袋。

借助上述结构，在需要实验终止功能时，控制装置4发出电信号至海水进样装置1和试剂选择-定量装置3；试剂选择-定量装置3内终止剂定量旋转阀37将入口通道选通至终止剂通道，将出口通道选通至蠕动泵通道，海水进样装置1内的终止剂蠕动泵21开启，将终止剂充满终止剂定量旋转阀37的定量环；然后，终止剂定量旋转阀37将出口通道选通至培养袋通道，将入口通道选通至海水通道，海水蠕动泵26和终止剂电磁阀9开启，在海水蠕动泵26的抽吸下海水进入流路，将终止剂定量旋转阀37定量环内终止剂带入培养袋。

进一步的，培养试剂袋的数量为多个，其结构可以参照图4所示，可以同时实现多个对比培养实验；

试剂选择-定量装置3还包括设置在试剂壳体内的终止选择培养旋转阀38；终止选择培养旋转阀38包括多个通道：多个培养袋选择通道一一对应连通于多个培养试剂袋，终止剂通道连通于终止剂定量旋转阀37的培养袋通道，排废通道连通于废液袋(以回收避免影响环境)。即终止剂定量旋转阀37通过终止选择培养旋转阀38连通于各培养试剂袋。

如此设置，在需要终止剂清洗功能时，控制装置4发出电信号至海水进样装置1和试剂选择-定量装置3；试剂选择-定量装置3内终止剂定量旋转阀37将出口通道选通至培养袋通道，将入口通道选通至海水通道，终止选择培养旋转阀38将出口通道选通至排废通道，将入口通道选通至终止剂通道，海水进样装置1内海水蠕动泵26和终止剂电磁阀9开启，在海水蠕动泵26的抽吸下海水进入流路，将管路中的终止剂通过排废口排出

具体的，试剂壳体包括腔体32以及分别安装在其两端的开孔端盖28和密封端盖33，其结构可以参照图3所示。

下面结合具体实施例对本方案做进一步介绍：

如图1所示，一种用于深海的生物地球化学原位实验装置，包括四个部分，分别为海水进样装置1、试剂与培养袋体系2、试剂选择-定量装置3和控制装置4。控制装置4与海水进样装置1、试剂选择-定量装置3之间通过水密电缆进行供电与通讯控制。海水进样装置1和试剂选择-定量装置3与试剂与培养袋体系2通过peek硬管进行连接。

如图2所示，海水进样装置1主要包括安装在装置顶部的开孔端盖5，开孔端盖5安装在腔体15上，腔体15的底部安装有密封端盖16，开孔端盖5、腔体15和密封端盖16通过拉杆14进行固定。开孔端盖5上安装拉杆6，拉杆6下端连接安装盘7，安装盘7上安装了海水蠕动泵26和示踪剂蠕动泵27。安装盘7下安装了电磁阀8、9、10、11、22、23、24和25(其中电磁阀25图中未示出，作为培养袋备用)。安装盘7下部安装拉杆12，安装盘13通过拉杆12与安装盘7连接固定。安装盘13上安装终止剂蠕动泵21和电磁阀17、18、19和20。

试剂与培养袋体系2主要由试剂袋构成，根据用途的不同分为培养试剂袋、示踪剂试剂袋和终止剂试剂袋。

如图3所示，试剂选择-定量装置3主要包括上部的开孔端盖28，腔体32和下部密封端盖33。开孔端盖28、腔体32和下部密封端盖33通过拉杆30固定。开孔端盖28下部安装金属拉杆29与中间安装盘31固定。固定安装盘31上安装有旋转阀34、35、36、37和38。

一种用于深海的生物地球化学原位实验装置可以实现以下5种功能：海水进培养袋、试剂定量、试剂进培养袋、试剂流路清洗、实验终止、终止剂清洗。其具体工作原理如图4所示，具体实施方案下：

海水进培养袋：控制装置4发送电信号至海水进样装置1，海水进样装置1内海水蠕动泵26和目标培养袋对应通道电磁阀打开，外部海水在海水蠕动泵26抽吸作用下进入目标培养试剂袋。

试剂定量：控制装置4分别发送电信号至海水进样装置1和试剂选择-定量装置3。试剂选择-定量装置3内的示踪剂选择旋转阀34选通目标示踪剂试剂袋通道，示踪剂定量旋转阀35将通道选通至排废通道，海水进样装置1内示踪剂蠕动泵27开启，将目标示踪剂试剂袋内示踪剂抽吸到管路中，并将管路中示踪剂定量旋转阀35的定量环充满。

试剂进培养袋：控制装置4发送电信号至海水进样装置1和试剂选择-定量装置3。试剂选择-定量装置3内示踪剂定量旋转阀35通道切换至示踪选择培养旋转阀36入口通道，示踪选择培养旋转阀36将通道调整为目标培养袋，海水进样控制装置1内的海水蠕动泵26和示踪剂电磁阀8开启，在海水蠕动泵26的抽吸作用下，海水将示踪剂定量旋转阀35定量环内的定量示踪剂携带进入目标培养试剂袋。

试剂流路清洗：控制装置4发出电信号至海水进样装置1和试剂选择-定量装置3。试剂选择-定量装置3内示踪剂选择旋转阀34将通道选通至海水，示踪剂定量旋转阀35将通道选通至排废，海水进样装置1内示踪剂蠕动泵27开启，在示踪剂蠕动泵27的抽吸下海水充满整个流路，替换原管路中充填的示踪剂。

实验终止：控制装置4发出电信号至海水进样装置1和试剂选择-定量装置3。试剂选择-定量装置3内终止剂定量旋转阀37将通道选通至终止剂通道，海水进样装置1内的终止剂蠕动泵21开启，将终止剂充满终止剂定量旋转阀37的定量环。试剂选择-定量装置3内终止剂定量旋转阀37将通道选通至终止选择培养旋转阀38入口，试剂选择-定量装置内终止选择培养旋转阀38将通道选通至目标培养袋，海水进样装置1内海水蠕动泵和终止剂电磁阀9开启，在海水蠕动泵26的抽吸下海水进入流路，将终止剂定量旋转阀37定量环内终止剂带入目标培养袋。

终止剂清洗：控制装置4发出电信号至海水进样装置1和试剂选择-定量装置3。试剂选择-定量装置3内终止剂定量旋转阀37将通道选通至终止选择培养旋转阀38的入口，终止选择培养旋转阀38将通道选通至排废，海水进样装置1内海水蠕动泵26和终止剂电磁阀9开启，在海水蠕动泵26的抽吸下海水进入流路，将管路中的终止剂通过排废口排出。

本发明具有以下特点：

1.本发明可在深海原位自动进行定量进样、试剂的定时-定量进样以及终止实验等功能，在深海原位实现全自动生物化学实验；

2.本发明可同时实现多个对比培养实验。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。