一种用于研究光合作用气体交换的同位素质谱进样系统

摘要

本发明公开了一种用于研究光合作用气体交换的同位素质谱进样系统，包括光合叶室模拟装置、冷阱和同位素质谱仪，光合叶室模拟装置包括温控底座、光通道、气体通道、光合模拟器和半透膜。本发明公开的用于研究光合作用气体交换的同位素质谱进样系统通过模拟绿色植物光合作用设计了实验室环境下的光合叶室模拟装置，人工可控地将O2、CO2、H2O和光输送给绿色叶片，并使用半透膜选择性通过O2、CO2组成的混合气体，再利用冷阱纯化，最后采用同位素质谱仪检测，可实现在线自动连续监测光合作用气体进出过程中碳、氧同位素变化轨迹，研究自然状态下碳同化动态过程。

权利要求

1.一种用于研究光合作用气体交换的同位素质谱进样系统，其特征在于，包括从前至后依次用管道连接的光合叶室模拟装置(1)、冷阱(2)和同位素质谱仪(3)，所述光合叶室模拟装置(1)包括温控底座(10)、光通道(11)、气体通道(12)、光合模拟器(13)和半透膜(14)；

所述温控底座(10)上设置有凹槽，所述光合模拟器(13)设置于所述温控底座(10)的凹槽内；

所述半透膜(14)设置在所述光合模拟器(13)的底面与所述温控底座(10)的凹槽的表面之间；

所述光合模拟器(13)内设置有叶室(130)，所述气体通道(12)包括进气口(121)、气压调节口(122)和出气通道(123)，所述进气口(121)、所述气压调节口(122)、所述光通道(11)和所述出气通道(123)均与所述叶室(130)相连通，所述出气通道(123)穿过所述温控底座(10)。

2.如权利要求1所述的同位素质谱进样系统，其特征在于，所述进气口(121)与所述气压调节口(122)均设有硅胶隔垫。

3.如权利要求1所述的同位素质谱进样系统，其特征在于，所述光通道(11)从下往下正对所述叶室(130)，所述进气口(121)和所述气压调节口(122)位于所述光通道(11)的两侧。

4.如权利要求1所述的同位素质谱进样系统，其特征在于，所述叶室(130)中部设置有支撑网(16)。

5.如权利要求1所述的同位素质谱进样系统，其特征在于，所述进气口(121)所在的通道和所述气压调节口(122)所在的通道均可采用硬质玻璃管，且该两硬质玻璃管末端设置有玻璃管密封圈(17)。

6.如权利要求1所述的同位素质谱进样系统，其特征在于，所述出气通道(123)与所述半透膜(14)的接触处设置有多孔物(18)。

7.如权利要求1所述的同位素质谱进样系统，其特征在于，所述气体通道(12)的外围设置有固定圈(19)。

说明书

一种用于研究光合作用气体交换的同位素质谱进样系统

技术领域

[0001] 本发明涉及同位素示踪技术领域，具体涉及一种用于研究光合作用气体交换的同位素质谱进样系统。

背景技术

[0002] 光合作用是绿色植物利用光能把CO2和H2O合成有机物，同时释放O2的生理过程。大致过程如下：首先，CO2从外界大气扩散到叶片表层；然后，穿过气孔到达气孔下腔；最后，到达叶绿体羧化位点由羧化酶进行同化。然而，植物光合作用的效率非常低，仅能将大约3％的太阳能转化为可利用形式。

[0003] 同位素示踪技术具有检测快速、结果准确的特点，其应用涉及众多生态学研究领域，并已成为生态学和环境科学领域最有效的研究手段之一(Barbour,M.M.,Evans,J.R.,Simonin,K.A.and Von Caemmerer,S.,2016.Online CO2 and H2O oxygen isotope fractionation allows estimation of mesophyll conductance in C4 plants,and reveals that mesophyll conductance decreases as leaves age in both C4 and C3 plants.New Phytologist,210:875-889.)。目前可以进行同位素分析的仪器主要有同位素质谱仪、激光同位素分析仪和薄膜进样质谱仪等。其中同位素质谱仪因其测试精度高、稳定性能好、可配备的进样设备多，还能实现环境样品中固体、液体和气体样品同位素分析等诸多优点，而获得了广泛的应用。

[0004] 采用同位素质谱仪对光合样品进行C和O同位素变化的在线自动连续示踪监测，可以：1)精确测定叶肉导度gm，已有研究表明CO2从外界空气到达羧化位点存在诸多阻力，其中从气孔下腔扩散到羧化位点的液相段阻力(1/gm)是制约光合效率的限速步骤，显然系统研究叶肉导度的变化规律对于提高光合作用效率具有重要意义。相关技术研发结果表明，采用同位素质谱仪测定C同位素的分馏效应可以可靠获得叶肉导度，而其他技术和拟合方法均存在诸多前提假设，所得结果不可靠(Flexas,J.,Ribas-Carbo,M.,Diaz-Espejo,A.,Galmes,J.and Medrano,H.,2008.Mesophyll conductance to CO2:current knowledge and future prospects.Plant,cell&environment,31:602-621.)；2)叶肉导度可分为跨细胞壁(gw)和跨膜和细胞液(gl)导度，采用同位素质谱仪同步测定C和O同位素，可以区分两个阻力对叶肉导度的贡献度，是深入研究叶肉导度调控机制的前提(Barbour,M.M.,Evans,J.R.,Simonin,K.A.and Von Caemmerer,S.,2016.Online CO2 and H2O oxygen isotope fractionation allows estimation of mesophyll conductance in C4 plants,and reveals that mesophyll conductance decreases as leaves age in both C4 and C3 plants.New Phytologist,210:875-889.)；3)研究表明在细胞液的调控中碳酸酐酶活性动态是关键，目前仅有采用同位素质谱仪监测O同位素动态活体测定碳酸酐酶活性。

[0005] 然而，由于商品化同位素质谱仪对进样物质的精度和品质要求较高，且所匹配的进样器缺乏可以进行光合作用的光源和气体控制系统，目前市面上缺失能满足要求的进样设备，进而导致无法开展光合作用过程中C和O同位素变化的在线自动连续示踪监测的研究。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种用于研究光合作用气体交换的同位素质谱进样系统，用以解决无法开展光合作用过程中C和O同位素变化的在线自动连续示踪监测研究的问题。

[0007] 本发明提供一种用于研究光合作用气体交换的同位素质谱进样系统，包括从前至后依次用管道连接的光合叶室模拟装置、冷阱和同位素质谱仪，所述光合叶室模拟装置包括温控底座、光通道、气体通道、光合模拟器和半透膜；所述温控底座上设置有凹槽，所述光合模拟器设置于所述温控底座的凹槽内；所述半透膜设置在所述光合模拟器的底面与所述温控底座的凹槽的表面之间；所述光合模拟器内设置有叶室，所述气体通道包括进气口、气压调节口和出气通道，所述进气口、所述气压调节口、所述光通道和所述出气通道均与所述叶室相连通，所述出气通道穿过所述温控底座。

[0008] 优选地，所述进气口与所述气压调节口均设有硅胶隔垫。

[0009] 优选地，所述光通道从下往下正对所述叶室，所述进气口和所述气压调节口位于所述光通道的两侧。

[0010] 优选地，所述叶室中部设置有支撑网。

[0011] 优选地，所述进气口所在的通道和所述气压调节口所在的通道均可采用硬质玻璃管，且该两硬质玻璃管末端设置有玻璃管密封圈。

[0012] 优选地，所述出气通道与所述半透膜的接触处设置有多孔物。

[0013] 优选地，所述气体通道的外围设置有固定圈。

[0014] 本发明的有益效果是：

[0015] 本发明公开的用于研究光合作用气体交换的同位素质谱进样系统，通过模拟绿色植物光合作用设计了实验室环境下的光合叶室模拟装置，人工可控地将O2、CO2、H2O和光输送给绿色叶片，并使用半透膜选择性通过O2、CO2组成的混合气体，再利用冷阱纯化，最后采用同位素质谱仪检测，可实现在线自动连续监测光合作用气体进出过程中碳、氧同位素变化轨迹，研究自然状态下碳同化动态过程，深入理解还原力的产生和调控机制，进而提高光合效率和逆境适应能力，是一种无损的连续测试。

附图说明

[0016] 图1为本发明实施例1提供的用于研究光合作用气体交换的同位素质谱进样系统的结构示意图；

[0017] 图2为本发明实施例1提供的光合叶室模拟装置的俯视图；

[0018] 图3为本发明实施例1提供的光合叶室模拟装置的结构示意图。

具体实施方式

[0019] 实施例1

[0020] 实施例1提供一种用于研究光合作用气体交换的同位素质谱进样系统，下面对其结构进行详细描述。

[0021] 参考图1，该同位素质谱进样系统包括从前至后依次用管道连接的光合叶室模拟装置1、冷阱2和同位素质谱仪3。

[0022] 参考图2、3，光合叶室模拟装置1包括温控底座10、光通道11、气体通道12、光合模拟器13、半透膜14。其中，所述温控底座10上设置有凹槽，所述光合模拟器13设置于所述温控底座10的凹槽内；所述半透膜14设置在所述光合模拟器13的底面与所述温控底座10的凹槽的表面之间。为了确保气体不泄露，所述光合模拟器13上表面与下表面分别设有两个光合模拟器密封圈15。所述光合模拟器13内设置有叶室130。所述气体通道12包括进气口121、气压调节口122和出气通道123，所述进气口121、所述气压调节口122、所述光通道11和所述出气通道123均与所述叶室130相连通，所述出气通道123穿过所述温控底座10。

[0023] 为了方便气体的注入并保持密封，进气口121与气压调节口122均具有硅胶隔垫。

[0024] 为了使光照均匀以及便于气体通道12内的气压调节，所述光通道11从下往下正对所述叶室130，所述进气口121和所述气压调节口122位于所述光通道11的两侧。

[0025] 为了放置绿叶片，所述叶室130中部设置有支撑网16。

[0026] 为了保证进气口121所在的通道和气压调节口122所在的通道与所述叶室130接触的密实性，进气口121所在的通道和气压调节口122所在的通道均可采用硬质玻璃管，且该两硬质玻璃管末端设置有玻璃管密封圈17。

[0027] 为了防止所述半透膜14因压力差变形，所述出气通道123与所述半透膜14的接触处设置有多孔支撑物18。

[0028] 具体地，所述光合模拟器13为不锈钢材质的金属圆盘。

[0029] 具体地，所述玻璃管密封圈17为硅胶密封圈。

[0030] 具体地，所述支撑网16为金属网。

[0031] 具体地，所述气体通道12为带气体通道的插件。

[0032] 为了固定气体通道12、光合模拟器13和温控底座10和防止叶室130的气体泄漏，所述气体通道12的外围设置有固定圈19，优选地，所述固定圈19为金属固定圈。

[0033] 该同位素质谱进样系统通过水冷温控，具有以下部件：温控底座、循环水、水泵、管道和水箱。温控底座是一个内部留有水道的金属块，由铜、铝或者不锈钢制成，与叶室接触并将吸收叶室的热量，温控底座留有水道而且是完全密闭的，保证循环水不外漏。

[0034] 水泵的作用是推动循环水流动，这样吸收了叶室热量的水会从温控底座中流出，而新的低温的循环水将继续吸收叶室的热量。

[0035] 水管连接水泵、水冷块和水箱，其作用是让循环水在一个密闭的通道中循环流动而不外漏，这样才能让液冷散热系统正常工作。

[0036] 水箱用来存储循环水，回流的循环水在这里释放掉多余的热量，低温的循环水重新流入管道，如果叶室的发热较小，利用水箱内存储的大容量的循环液就能保证循环液温度不会有明显的上升。

[0037] 实施例2

[0038] 实施例2提供一种光合作用气体交换的同位素质谱分析方法，采用实施例1提供的同位素质谱分析系统，该分析方法包括以下步骤：

[0039] 步骤S1：先将光合样品(叶片)放置于支撑网16，再组装光合叶室模拟装置1，从光通道11内通入光，气体通道12的进气口121接受CO2和O2；

[0040] 步骤S2：CO2和H2O在叶室130内发生光合作用，并产生O2；

[0041] 步骤S3：叶室130内由O2、CO2和微量H2O组成的混合气体通过扩散透过半透膜14；

[0042] 步骤S4：混合气体进入冷阱2，除去混合气体中的微量水分；

[0043] 步骤S5：混合气体进入同位素质谱仪3。

[0044] 虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。