水下注射式沉积物原位培养装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种水下注射式沉积物原位培养装置。其基本原理为：预先在培养装置中的注射器里注入培养液。潜水器将培养装置携带到深海海底，机械手握住T型把手先将培养装置插入沉积物中，然后拉起绳缆上端的绳结，将开口销拔出，在弹簧力的作用下，弧形挡板绕螺栓旋转滑开，下挡板在弹簧力的作用下按压注射器的推杆，推杆下压移动将培养液注入培养筒中不同深度的沉积物里以开展原位培养。本发明可以在深海海底沉积物中同时实现1?10种培养液和1?10个培养深度的原位培养。培养装置可与水下遥控机器人ROV和载人潜水器HOV配套作业，原理可靠、结构简单、便于操作，适合用于在深海海底对沉积物进行原位培养。
【专利说明】
水下注射式沉积物原位培养装置
技术领域
[0001 ]本发明属于海洋探测技术领域，具体涉及一种水下注射式沉积物原位培养装置，通过在深海海底向不同深度沉积物中注射同位素示踪剂等各种培养液，实现沉积物的原位培养和样品采集。
【背景技术】
[0002]深海生物地球化学过程的研究对于认识碳氮硫循环意义重大。传统生物地球化学过程的研究多数是在海底采集沉积物，然后运送到船上，在船上实验室或者陆地实验室中对采集到的沉积物样品添加同位素示踪剂等各种培养液进行培养，最后通过对培养产物开展分析测试揭示微生物所介导的生物地球化学反应的速率和机理。但是在热液和冷泉等极端海底环境，存在高浓度的甲烷/氢气/硫化氢等物质，这些物质是化能合成微生物生存必需的能量。沉积物中含有的这些高浓度的气体在沉积物样品从海底采集及随后运输到甲板的漫长过程中，会因为温度压力的变化发生交换和逃逸，导致采集到甲板的沉积物样品中这类气体的含量显著减少，从而造成实验室培养实验的结果出现显著偏差。
[0003]目前可与潜水器配套作业的沉积物短柱状采样器，只能通过机械手在海底采集沉积物样品，而不能够携带同位素示踪剂等培养液在海底沉积物中开展原位培养实验。本发明研制的水下注射式沉积物原位培养装置，可以根据研究需求，将培养所需要的同位素示踪剂等培养液事先灌注于装置中的注射器中，由潜水器将培养装置携带到深海海底，然后在机械手的操作下，在海底选择培养地点开展沉积物的原位培养，培养结束后再将采集了培养后沉积物的原位培养装置带回船上。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种原理可靠、结构简单、便于操作的水下注射式沉积物原位培养装置。该装置可与水下遥控潜水器ROV或者载人潜水器HOV配套作业，在深海海底对沉积物开展不同深度的原位培养和样品采集。实际应用时，可根据研究需求，将不同的培养底物或者是同位素示踪剂等培养液预先装入注射器中，并根据培养深度要求安装不同长度的针头，实现海底沉积物不同深度的原位培养。
[0005]本发明提出的水下注射式沉积物原位培养装置，包括绳缆1、T型螺杆机构、触发机构、注射器Ila和配套针头11b、多孔挡板12、硅胶垫片13、壳体14以及培养筒19，其中:
T型螺杆机构包括T型螺杆2、第一弹簧调节螺母3a、第二弹簧调节螺母3b、硅胶垫片紧固螺母3c、第一螺杆紧固螺母3d、第二螺杆紧固螺母3e、上挡板4、下挡板10和弹簧5，T型螺杆2的螺杆端自上而下依次穿过第一弹簧调节螺母3a、第二弹簧调节螺母3b、上挡板4、弹簧
5、下挡板10、硅胶垫片紧固螺母3c、硅胶垫片13、多孔挡板12和壳体14，弹簧5位于上挡板4和下挡板10之间，第一弹簧调节螺母3a、第二弹簧调节螺母3b、上挡板4、弹簧5和下挡板10作为培养装置的动力机构，触发时，通过弹簧5的弹簧力使下挡板10受力往下压注射器的推杆，从而将注射器中灌注的注射液注射进沉积物中；通过松紧第一弹簧调节螺母3a和第二弹簧调节螺母3b，可以调节弹簧的预压缩量，从而控制弹簧力的大小；第一弹簧调节螺母3a、第二弹簧调节螺母3b的使用还可起到防松、紧固作用；壳体14和T型螺杆2连接处通过第一螺杆紧固螺母3d、第二螺杆紧固螺母3e紧固；
触发机构包括第一弧形挡块6a、第二弧形挡块6b、第一螺栓7a、第二螺栓7b、第三螺栓7c、开口销8和连接片9，第一弧形挡块6a和第二弧形挡块6b的上端均设有卡环;第一弧形挡块6a上设有通孔，所述通孔用于连接开口销8，第一弧形挡块6a和第二弧形挡块6b相对布置，构成类似圆环结构，第一弧形挡块6a、多孔挡板12和壳体14通过第一螺栓7a连接，第二弧形挡块6 b、多孔挡板12和壳体14通过第二螺栓7b连接；
壳体14底部设置培养筒19;壳体14上均匀布置有若干个注射器安装通道15b和排水通道 16b;
注射器I Ia—端依次穿过多孔挡板12、壳体14，伸入培养筒19中；
绳缆I 一端连接第一弧形挡块6a;
硅胶垫片13安装于多孔挡板12上方，通过调节硅胶垫片紧固螺母3c的位置，使硅胶垫片13压紧在多孔挡板12上，挡住多孔挡板12上的排水孔16a及壳体14的排水通道16b;当培养装置插入沉积物中时，水流可向上通过壳体14上的排水通道16b和多孔挡板12上的排水孔16a排出；当培养完成时，将培养装置从海底拿出后硅胶垫片13还可起到防止外界海水进入沉积物培养筒19的作用。
[0006]本发明中，当开口销8插入第一弧形挡块6a上的通孔时，第三螺栓7c旋进第二弧形挡块6b上设置的螺纹孔中，第三螺栓7c—端通过连接片9连接开口销8，从而使第一弧形挡块6a的第一卡环6c和第二弧形挡块6b的第二卡环6d卡住下挡板10使之不能继续往下；当开口销8未安装时，第一弧形挡块6a可通过第一螺栓7a自由转动。
[0007]本发明中，绳缆I上端打一个绳结，方便潜水器机械手的配套作业。
[0008]本发明中，使用时绳缆I及开口销8来触发装置动作，当在深海海底潜水器机械手拉起绳缆I上端的绳结时，开口销8将顺势被拔出，使弧形挡板6a绕螺栓7a旋转滑开，下挡板10在弹簧5的作用力下，向下压注射器Ila的推杆，推杆移动将预先灌入的培养液沿注射器针头IIb注入培养筒19中的沉积物中。
[0009]本发明中，培养筒19可根据实际需要选用不同规格的透明有机玻璃筒，通过防水胶带可将其粘合在壳体14的下端，并用不锈钢卡箍固定。
[0010]本发明可根据实际需要，安装使用1-10支注射器11a，并配套不同长度的注射器针头11b，以实现海底不同深度沉积物的培养。实际安装时，需提前在注射器Ila中注入培养液，根据实际注射量调整推杆的高度，然后将注射器插入壳体14的注射器安装通道15b中，并用多孔挡板12压住注射器筒体。
[0011]本发明的有益效果在于以纯机械的方式实现了深海海底1-10个不同深度的沉积物原位培养，可根据需求向沉积物中添加1-10种培养液。装置结构简单，原理可靠，使用方便，适宜在深海海底对沉积物进行原位培养和样品采集。
【附图说明】
[0012]图1为本发明结构分解示意图。
[0013]图2为本发明安装总成正面示意图。
[0014]图3为本发明安装总成反面示意图。
[0015]图4为本发明弧形挡板示意图。
[0016]图5为本发明卡环截面图。
[0017]图6为本发明壳体14截面图。(a)为主视图，(b)为右视图，(C)为俯视图。
[0018]图中标号:I为绳缆，2为T型螺杆，3a、3b分别为第一、第二弹簧调节螺母、3c为硅胶垫片紧固螺母、3d、3e分别为第一、第二螺杆紧固螺母，4为上挡板，5为弹簧，6a、6b分别为第一、第二弧形挡块，6c和6d分别为第一、第二卡环，7a、7b、7c分别为第一、第二和第三螺栓，8为开口销，9为连接片，10为下挡板，I Ia为注射器，I Ib为注射器针头，12为多孔挡板，13为硅胶垫片，14为壳体，15a为注射器通孔，15b为注射器安装通道，16a为排水孔，16b为排水通道，17a为T型螺杆安装通孔，17b为T型螺杆安装通道，18a、18b为螺栓通孔，18c、18d分别为第一、第二内螺纹孔，19为培养筒。
【具体实施方式】
[0019]下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。
[0020]实施例1:
如图1-6所示，水下注射式沉积物原位培养装置包括绳缆1、T型螺杆机构、触发机构、注射器Ila和配套针头11b、多孔挡板12、硅胶垫片13、壳体14以及培养筒19。绳缆I上端打一个绳结，方便潜水器机械手的配套作业。
[0021]T型螺杆机构包括T型螺杆2、第一弹簧调节螺母3a和第二弹簧调节螺母3b、硅胶垫片紧固螺母3c、T型螺杆紧固螺母3d和3e、上挡板4、下挡板10、弹簧5。其中双螺母3a和3b、上挡板4、弹簧5、下挡板10作为装置的动力机构。触发时，通过弹簧的弹簧力使下挡板10受力往下压注射器的推杆，从而将注射器中灌注的注射液注射进沉积物中。通过松紧双螺母3a和3b，可以调节弹簧的预压缩量，从而控制弹簧力的大小。双螺母的使用还可起到防松、紧固作用。
触发机构包括弧形挡块6a和6b、螺栓7a和7b及7c、开口销8、连接片9。弧形挡块6a和6b，其特征在于上端各有一段卡环6c和6d;弧形挡块6a上开有两个通孔连接螺栓7a和开口销8，弧形挡块6b上开有一个通孔连接螺栓7b，一个内螺纹孔连接螺栓7c。
[0022]壳体14上均匀布设了 10个注射器安装通道15b、10个排水通道16b，中心为T型螺杆安装通道17b，可通过该通道将螺杆2插进壳体14中，并在下端用螺杆紧固螺母3d和3e紧固。内螺纹孔18c和18d则为螺栓7a和7b的安装孔。
[0023]多孔挡板12中间为T型螺杆安装通孔17a，周围分布有注射器通孔15a、排水孔16a、螺栓通孔18a和18b，它们分别与T型螺杆安装通道17b、注射器安装通道15b、排水通道16b、内螺纹孔18c和18d的位置——对应。
[0024]硅胶垫片13安装在多孔挡板12上方，通过调节硅胶垫片紧固螺母3c的位置可使硅胶垫片13压紧在多孔挡板12上，挡住多孔挡板12上的排水孔16a及壳体14的排水通道16b。当培养装置插入沉积物中时，水流可以向上通过排水通道16b和排水孔16a排出；当培养完成，将培养装置从海底拿出后硅胶垫片13还可起到防止外界海水进入沉积物培养筒19的作用。
[0025]触发机构中弧形挡块6a和6b、多孔挡板12与壳体14通过使用螺栓7a和7b连接起来。螺栓7a和7b插入弧形挡块6a和6b上的通孔，然后穿过多孔挡板12上的螺栓通孔18a和18b，最后旋进壳体14上的内螺纹孔18c和18d。连接固定完成后，多孔挡板12下压注射器筒体11a。开口销8插入弧形挡块6a上的通孔，螺栓7c旋进弧形挡块6b上的螺纹孔中，并通过连接片9相连接，从而使弧形挡块6a和6b上端的卡环6c和6d卡住下挡板10使之不能继续往下。开口销8未安装时，弧形挡块6a可通过螺栓7a自由转动。
[0026]本发明使用绳缆I及下端连接的开口销8来触发装置动作。当在深海海底潜水器机械手拉起绳缆I上端的绳结时，开口销8将顺势被拔出，使弧形挡板6a绕螺栓7a旋转滑开，下挡板10在弹簧5的作用力下，向下压注射器Ila的推杆，推杆移动将预先灌入的培养液沿注射器针头IIb注入培养筒19中的沉积物中。
[0027]培养筒19可根据实际需要选用不同规格的透明有机玻璃筒，通过防水胶带可将其粘合在壳体14的下端，并用不锈钢卡箍固定。
[0028]培养筒19选择50cm长的高强度亚克力管，安装Iml的注射器Ila两支，对应的注射器针头分别为1cm和20cm长度的316不锈钢针头。
[0029]1、培养装置安装
①配制某一浓度的培养液，在两支Iml的注射器中分别吸入0.5ml培养液，连接注射器针头Ilb并插入壳体14的注射器安装通道15b中。在壳体14上端放置多孔挡板12，压住注射器Ila筒体并使推杆从通孔15a中出露，使各孔的位置与壳体14上孔的位置对应吻合。
[0030]②在多孔挡板12中间通孔上端的位置放置硅胶垫片13，使之挡住排水孔16a。
[0031]③在多孔挡板12上端合适位置安装触发机构，在弧形挡块6a和6b插入螺栓7a和7b，令其下端穿过多孔挡板的螺栓通孔18a和18b后分别旋进壳体14上端的内螺纹孔18c和18d。弧形挡块6b上的内螺纹孔旋进螺栓7c，并装入连接片9;在弧形挡块6a上的对应通孔位置插入开口销8，通过连接片9与螺栓7c连接。开口销8上端连接一根绳缆I，绳缆顶端为绳缆结。
[0032]④从T型螺杆底端旋进两个弹簧调节螺母3a和3b，然后依次装入上挡板4、弹簧5、下挡板10。装入硅胶垫紧固螺母3c，将T型螺杆2下端依次伸入硅胶垫片13、多孔挡板12中间T型螺杆安装通孔17a，然后插入壳体14的T型螺杆安装通道17b中，并在T型螺杆2下端旋进两个螺杆紧固螺母3d和3e，使下挡板10卡在弧形挡块6a和6b内侧的环形卡环6c和6d上；调节螺母3c使硅胶垫片13压紧在多孔挡板12上，调节弹簧调节螺母3a和3b来调整弹簧5的预紧力，使其能够在释放时将注射器中的培养液全部注入到沉积物中。
[0033]⑤将培养筒19插进壳体14下端，并用防水胶带粘合后用不锈钢卡箍卡住，防止培养筒19从壳体14脱落。
[0034]3、培养装置水下不放和回收
在潜水器载物台上安装固定保护筒体，将装配好的水下注射式沉积物原位培养装置插入配套的保护筒体中并固定，由潜水器携带到海底，使用机械手握住T型把手，将培养装置放置在指定位置，下压使培养筒19充分插入海底沉积物中，培养筒19中的水可通过壳体14上的排水通道16b及多孔挡板12上的排水孔16a排出。随后，机械手拉动绳缆I顶端的绳缆结，开口销8顺势被拔出，使弧形挡板6a绕螺栓7a旋转滑开，下挡板10在弹簧力的作用下，向下压注射器Ila的推杆，推杆下压推动注射器Ila的注射液沿针管Ilb注入培养筒19中不同深度的沉积物里。
[0035] 4、培养24小时后，潜水器机械手将培养装置从海底沉积物中拔出，放置到潜水器载物台上配套的保护筒中随潜水器回到船上。期间由于硅胶垫片13的存在，海水无法进入培养筒19中，有效防止了沉积物在移动过程中被海水带离培养筒19。
【主权项】
1.一种水下注射式沉积物原位培养装置，包括绳缆(I )、T型螺杆机构、触发机构、注射器(Ila)和配套针头(11b)、多孔挡板(12)、硅胶垫片(13)、壳体(14)以及培养筒(19)，其特征在于:T型螺杆机构包括T型螺杆(2)、第一弹簧调节螺母(3a)、第二弹簧调节螺母(3b)、硅胶垫片紧固螺母(3c)、第一螺杆紧固螺母(3d)、第二螺杆紧固螺母(3e)、上挡板(4)、下挡板(10)和弹簧(5)，T型螺杆(2)的螺杆端自上而下依次穿过第一弹簧调节螺母(3a)、第二弹簧调节螺母(3b)、上挡板(4)、弹簧(5)、下挡板(10)、硅胶垫片紧固螺母(3c)、硅胶垫片(13)、多孔挡板(12)和壳体(14)，弹簧(5)位于上挡板(4)和下挡板(10)之间，第一弹簧调节螺母(3a)、第二弹簧调节螺母(3b)、上挡板(4)、弹簧(5)和下挡板(10)作为培养装置的动力机构，触发时，通过弹簧(5)的弹簧力使下挡板(10)受力往下压注射器的推杆，从而将注射器中灌注的注射液注射进沉积物中；通过松紧第一弹簧调节螺母(3a)和第二弹簧调节螺母(3b)，可以调节弹簧的预压缩量，从而控制弹簧力的大小;第一弹簧调节螺母(3a)、第二弹簧调节螺母(3b)的使用还可起到防松、紧固作用;壳体(14)和T型螺杆(2)连接处通过第一螺杆紧固螺母(3d)、第二螺杆紧固螺母(3e)紧固； 触发机构包括第一弧形挡块(6a)、第二弧形挡块(6b)、第一螺栓(7a)、第二螺栓(7b)、第三螺栓(7c)、开口销(8)和连接片(9)，第一弧形挡块(6a)和第二弧形挡块(6b)的上端均设有卡环；第一弧形挡块(6a)上设有通孔，所述通孔用于连接开口销(8)，第一弧形挡块(6a)和第二弧形挡块(6b)相对布置，构成类似圆环结构，第一弧形挡块(6a)、多孔挡板(12)和壳体(14)通过第一螺栓(7a)连接，第二弧形挡块6 b、多孔挡板(12)和壳体(14)通过第二螺栓(7b)连接； 壳体(14)底部设置培养筒19;壳体(14)上均匀布置有若干个注射器安装通道(15b)和排水通道(I 6b); 注射器(Ila) —端依次穿过多孔挡板(12)、壳体(14)，伸入培养筒(19)中； 绳缆(I) 一端连接第一弧形挡块(6a)上的开口销(8); 硅胶垫片(13)安装于多孔挡板(12)上方，通过调节硅胶垫片紧固螺母(3c)的位置，使硅胶垫片(13)压紧在多孔挡板(12)上，挡住多孔挡板(12)上的排水孔(16a)及壳体(14)的排水通道(16b);当培养装置插入沉积物中时，水流可向上通过壳体(14)上的排水通道(16b)和多孔挡板(12)上的排水孔(16a)排出；当培养完成时，将培养装置从海底拿出后硅胶垫片(13)还可起到防止外界海水进入沉积物培养筒(19)的作用。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于当开口销(8)插入第一弧形挡块(6a)上的通孔时，第三螺栓(7c)旋进第二弧形挡块(6b)上设置的螺纹孔中，第三螺栓(7c)—端通过连接片(9)连接开口销(8)，从而使第一弧形挡块(6a)的第一卡环(6c)和第二弧形挡块(6b)的第二卡环(6d)卡住下挡板(10)使之不能继续往下；当开口销(8)未安装时，第一弧形挡块(6a)通过第一螺栓(7a)自由转动。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于绳缆(I)上端打一个绳结，方便潜水器机械手的配套作业。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于使用时绳缆(I)及开口销(8)来触发装置动作，当在深海海底潜水器机械手拉起绳缆(I)上端的绳结时，开口销(8)将顺势被拔出，使弧形挡板(6a)绕螺栓(7a)旋转滑开，下挡板(10)在弹簧(5)的作用力下，向下压注射器(Ila)的推杆，推杆移动将预先灌入的培养液沿注射器针头(IIb)注入培养筒(19)中的沉积物中。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于培养筒(19)根据实际需要选用不同规格的透明有机玻璃筒，通过防水胶带可将其粘合在壳体(14)的下端，并用不锈钢卡箍固定。
【文档编号】C12M1/00GK105861277SQ201610249655
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月21日
【发明人】杨群慧, 米智楠, 韦婧, 季福武, 周怀阳, 金璐
【申请人】同济大学