气袋和注射器保存不同浓度甲烷气体的时效分析

刘花，张金凤，c*

(福建师范大学 a地理科学学院，b.湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，c. 地理研究所，福州 350007)

人类活动导致的温室气体含量升高是近百年尺度上气候变暖的主要原因。其中，甲烷(CH4)是增加速度最快的温室气体，在过去200年里，已经从0.75 μL·L-1上升到1.803 μL·L-1[1]。确定大气甲烷的源与汇,并对其进行估算、预测已成为全球变化研究的热点[2]。

气相色谱法是测定气体样品CH4浓度时最普遍采用的方法。由于样品量大、远程取样、仪器维护及故障等问题，取样后的样品往往不能立即测定，需用密封容器进行保存[3-4]。目前，保存气样的容器有顶空瓶、铝箔气袋和注射器[3-6]等。当用顶空瓶保存气样时，需要抽真空，同时需要过充消除真空不彻底所带来的溶剂效应[3]。即使这样，也只有极少种类顶空瓶能满足长时间保存气样的需要[6-7]。气袋是另一种保存温室气体样品的常用容器，适合大体积取样，目前在国内相关研究中使用较多[5]。在可取样体积小的室内培养试验中，注射器经常被用来保存样品。并且注射器具有易冲洗、易抽真空，价格便宜等优势，因此也是一种常用的气样保存方式。保存期限是评价容器保存性能的重要参数，明确所选容器的保存时效并在保存期限内完成测样是保证数据准确的重要一环。虽然目前已经开展了大量关于气袋和注射器保存温室气体样品的研究[6,8]，但有关其保存期限与浓度关系的研究鲜见报道。本研究选择医用塑料注射器和铝箔气袋对不同浓度CH4气样的保存时效进行了对比研究，期望为将来研究的样品保存提供试验指导。

1 材料与研究方法

1.1 不同浓度的CH4气体

本研究中的气体样品包括4个CH4浓度水平，即高(101.9 μmol·mol-1)、中(8.34 μmol·mol-1)、低(1.13 μmol·mol-1)和大气浓度(2.12 μmol·mol-1)。其中高、中浓度的气体样品采用大连大特气体有限公司配制的标准气体，低浓度样品采用实验室空气加该公司提供的高纯氮气(纯度≥99.99%)稀释获得，大气浓度样品采自实验楼楼顶。每次测样前均以新抽取接近样品浓度甲烷标准气体验证仪器稳定性，即FID检测器响应相对误差在3%左右，标准曲线所有样品的相关系数满足R2≥0.97。

1.2 研究方法

气袋用空气冲洗后抽成真空，注射器使用前换气5次。将标气和配制好的气体分别充入2 L大气袋中，随即抽取50 mL 4种不同摩尔分数的甲烷气体样品，注入清洗好的气袋和注射器(50 mL)中，关闭阀门，避光保存。在放置0、12、24、48、360和720 h后测定CH4浓度。每种处理设置5个重复，共240份样品。

1.3 甲烷分析方法

样品CH4浓度采用气相色谱仪(GC-2010，日本岛津)测定。CH4检测器为氢焰离子化检测器(FID)，载气为氮气(N2)，流速为30 mL·min-1，燃气是氢气，流速为47 mL·min-1；助燃气为空气，流速为400 mL·min-1；检测器温度为280 ℃，柱箱温度为45 ℃；样品进样量是5 mL。

1.4 数据统计与分析

数据统计分析采用SPSS 13.0软件，作图采用Sigmaplot 10.0。采用单因素方差分析和LSD多重比较法进行水平间差异性检验，采用三因素方差分析检验容器类型、气体浓度和存放时间对样品CH4浓度的影响。采用线性回归拟合保存时间与CH4浓度的关系。显著性水平用P值表示，当P<0.05认为达到统计显著性。

2 结果与分析

2.1 甲烷浓度的动态变化

高浓度(101.9 μmol·mol-1)气体样品：随着保存时间延长，注射器内CH4浓度线性下降，方程拟合度(R2)达99%(图1a)。保存12、24和48 h后，其均值低于立即测定结果(0 h)，但没达到统计显著性(P>0.05)。保存15天(360 h)和30天(720 h)后，注射器内CH4浓度比立即测定值低38%和69%。气袋内CH4浓度也随保存时间延长呈线性下降(R2为0.92)。保存12 h后，其值与立即测定值无显著差异(P>0.05)。保存24和48 h后，其浓度比立即测定值分别降低了2%和5%。保存15和30天后，气袋内CH4浓度略高于注射器(图1a)，但比立即测定值降低了28%和54%，表明气袋保存效果优于注射器，但也不适合长期保存CH4气体样品。注射器内CH4浓度误差大于气袋，可能与所用注射器来自不同批次及使用次数有关。

注：设初始浓度(0 h)为对照组，用t检验法进行分析。同一直线中试验组与对照组相比，**表示差异极显著(P<0.01)，*表示差异显著(P<0.05)，不标则为差异不显著(P>0.05)。 数值为平均值±标准误，n=5。图 1 保存0，12，24，48，360和720 h后，气袋和注射器高(a)、中(b)、低(c)和大气(d)样品的甲烷浓度Figure 1 CH4 concentrations(mean±se, n=5) of high (a), middle (b), low (c) and atmospheric (d) samples in gas bags and syringes after a storage time of 0, 12, 24, 48, 360 and 720 hours

中浓度(8.34 μmol·mol-1)气体样品：随着保存时间延长，注射器和气袋内CH4浓度都呈线性下降(R2分别为0.93和0.99)。注射器内样品在保存12、24和48 h后，其CH4浓度低于立即测定结果，但无显著差异(P>0.05)。气袋内CH4浓度在保存12 h后与立即测定值无显著差异(P>0.05)，保存24和48 h后，显著低于立即测定值(P<0.05)。保存15和30天后，注射器内CH4浓度比立即测定值降低38%和68%，气袋内CH4浓度比立即测定值降低17%和49%。

低浓度(1.13 μmol·mol-1)气体样品：随着保存时间延长，注射器和气袋内CH4浓度逐渐升高。保存12、24和48 h后，注射器内CH4浓度与立即测定值无显著差异(图1c,P>0.05)。气袋内CH4浓度保存12、24和48 h后，也与立即测定值无显著差异(图1c,P>0.05)。保存15天和30天后，注射器内CH4浓度比立即测定值高37%和58%，气袋内CH4浓度比立即测定值高28%和51%。两种容器内CH4浓度升高趋势都呈线性，方程拟合度(R2)达96%(注射器)和99%(气袋)。

大气浓度(2.12 μmol·mol-1)样品：当保存环境空气样品时，无论注射器还是气袋，其CH4浓度都随时间无显著变化(图1d,P>0.05)。

2.2 甲烷浓度变化与初始浓度关系

甲烷浓度变化(以相对变化率表示,即甲烷浓度变化量与初始浓度的比值)与初始浓度的关系在不同保存时间和容器类型间趋势一致(图2)：在中、低浓度时(<8.34 μmol·mol-1)，甲烷变化率随样品初始浓度急剧变化；当初始浓度大于8.34 μmol·mol-1时，甲烷浓度变化率稳定，与初始浓度无关。

图 2 保存360 h(a, c)和720 h(b, d)后，气袋和注射器中甲烷浓度变化(平均值，n=5)与初始浓度(平均值，n=5)的关系Figure 2 The relationship between the methane concentrations (mean, n=5) in gas bags and syringes and their diffusive changes (mean, n=5) after a storage time of 360 hours (a,c) and 720 hours(b,d)

图 3 气袋和注射器中样品甲烷浓度变化速率与初始浓度的关系Figure 3 The relationship between the initial CH4 concentrations of samples and their change rates in gas bags and syringes

2.3 甲烷浓度变化速率与初始浓度关系

如前所述，随着保存时间延长，注射器和气袋内CH4浓度呈线性增加(图1c)或减少(图1a, b)。线性方程斜率即单位时间内浓度变化代表CH4变化速率，而截距是初始浓度，理论上等于立即测定值。本研究发现，甲烷变化速率与样品-大气间的CH4浓度差正相关，线性方程拟合度(R2)达99%以上(图3)。对于某一特定容器，如果明确了CH4浓度变化速率与样品-大气间的CH4浓度差线性方程，可利用保存后的样品CH4浓度，推算其初始浓度，也就是利用已知条件(甲烷变化速率与样品-大气的CH4浓度差线性方程，保存时间，保存后样品浓度)解方程组，求得CH4浓度变化与保存时间之间线性方程的斜率(CH4浓度变化速率)和截距(初始浓度)。用该方法计算的气袋高浓度样品初始值为100.9 μmol·mol-1，低浓度样品初始值为1.17 μmol·mol-1，与立即测定值无显著差异。

3 讨论

本实验结果表明，注射器不适合长期保存CH4样品，取样后应尽快测定，这与以往报道结果一致[6-9]。同时发现，注射器的保存时效与CH4浓度有关。在相同条件下，浓度高的样品比浓度低的样品保存时间短，如高浓度样品浓度在保存12 h后已经显著降低，而与环境空气浓度相仿的低浓度样品可在48 h内无显著变化。

目前，有关铝箔气袋保存CH4的时效性报道较少[9]。本研究表明，铝箔气袋保存CH4的时效也与浓度有关。低浓度样品在保存48 h后与初始值无显著差异，而高浓度样品在保存24 h后显著降低。虽然铝箔气袋保存CH4的效果优于注射器，但也不适合长期保存CH4样品。保存15天后，CH4浓度比立即测定值降低或升高17%～28%。

在本研究中，CH4浓度变化与保存时间的3个线性拟合方程R2在99%以下，由此推断这可能是由于没有按均匀时间间隔测定CH4浓度变化引起的。例如，如果把12 h结果去除，R2明显提高。因此将来应用中，应按均匀时间间隔测定甲烷浓度变化曲线，能明显改善模拟精确度。

气体扩散是由于微粒(分子、原子等)的热运动而产生的物质迁移现象。可由一种或多种物质在气、液或固相的同一相内或不同相间进行，主要由于浓度差，也可由于温度差和湍流运动等。气体中的扩散在气体组成不均匀时，由高浓度区域向低浓度区域进行。样品保存过程中，低浓度样品CH4浓度升高，而中、高浓度样品CH4浓度降低，同时大气浓度样品CH4值无显著变化，表明样品与大气CH4浓度差引起的扩散是CH4浓度变化的主要原因。CH4变化速率与样品-大气CH4浓度差的高相关性(图3)也证明了这点。气样在密闭容器中发生浓度变化的原因有两种：吸附和渗漏[10-12]。如果存在吸附散失，物质浓度变化应遵从先快后慢的动态规律[10]。本研究中，无论塑料注射器还是铝箔气袋，CH4浓度变化速率基本恒定，没有出现先快后慢的动态变化规律。因此，渗漏是两种容器中CH4浓度变化的主要原因。同时也表明塑料和铝箔两种材料不会吸附CH4。据此，将来研发保存CH4气体装置时，防止渗漏是主要研究方向。

Laughling和Stevens[12]研究发现，气体样品浓度在保存过程中发生变化后，可用相同保存条件下的标气变化率反推其初始浓度。本研究发现：(1)变化率随保存时间变化(图1、图2)，这样，基于相对变化率反推初始浓度，只适用于特定保存时间，不能用于反推保存时段外的初始浓度；(2)用相对变化率推算样品初始浓度，只适用于高浓度样品。Laughling和Stevens[12]以及本研究都发现，当样品初始浓度较高时，相对变化率稳定，不受样品初始浓度影响，可用高浓度标气的变化率反推样品初始浓度；而在低浓度时，相对变化率随初始浓度急剧变化，标气的变化率与样品变化率存在极大差别，这时，如果用标气变化率反推样品初始浓度必然带来极大误差。本研究发现样品的CH4变化速率与初始浓度，从高到低范围内，呈高拟合度线性关系，据此采用CH4变化速率反推样品初始浓度不受浓度范围限制。同时CH4浓度变化与保存时段的线性关系(图1)使得基于变化速率反推初始浓度不受保存时间限制，也反映了保存期内物质浓度变化所依据的动力学原理[12-13]——即基于浓度差的菲克扩散定律。因此建议采用CH4浓度变化速率，而不是以变化率来反推样品初始度。

4 小结

本实验结果表明无论注射器还是气袋都不适合长期(超过15天)保存甲烷样品，且保存期限与样品浓度有关。保存低于大气甲烷的浓度样品时，无论注射器还是气袋都可以保存48 h内，无显著统计变化。当实验室不具备长期保存甲烷样品的条件时，可以建立保存容器的甲烷变化速率与样品-大气甲烷浓度差的线性方程，来反推样品初始浓度，该方法具有较高精确度。