通过光谱减法改进土壤有机质的红外光谱表征

摘要

土壤有机质（SOM）是多种土壤功能和过程的基础，但其傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征常受到土壤矿物干扰的限制。本方法通过使用经验获得的矿物参考光谱，从土壤光谱中扣除矿物干扰，从而提高利用FTIR光谱法分析土壤有机质的实用性。

摘要

土壤有机质（SOM）是多种土壤过程和功能的基础。傅里叶变换红外光谱（FTIR）可检测构成土壤有机组分的红外活性有机化学键。然而，由于土壤中有机质含量相对较低（通常按质量计<5%），且在中红外区（MIR，4,000–400 cm^-1）矿物与有机官能团的吸收峰存在重叠，导致占主导地位的矿物吸收峰产生显著干扰，使得对SOM表征的光谱解读变得困难甚至无法进行。光谱减法是一种对光谱进行事后数学处理的方法，可通过数学方式去除矿物吸收信号，从而降低矿物干扰，增强对应于有机官能团的光谱区域的分辨率。该方法需要一个富集矿物的参考光谱，可通过从特定土壤样品中去除SOM后实验获得。将该富集矿物的参考光谱从原始（未经处理）土壤样品光谱中减去，即可得到代表SOM吸收特征的光谱。常见的SOM去除方法包括高温燃烧（“灰化”）和化学氧化。选择SOM去除方法时需考虑两个因素：（1）被去除的SOM量；（2）矿物参考光谱及其所得减法光谱中可能产生的吸收伪影。这些潜在问题应被识别并量化，以避免对SOM中有机官能团组成的光谱数据做出错误或有偏的解释。在去除SOM后，利用所得的富矿物样品采集矿物参考光谱。根据实验目标和样品特性，存在多种执行减法的策略，其中最重要的是减法因子的确定。所得减法光谱需结合前述方法学进行谨慎解读。对于许多含有大量矿物组分的土壤及其他环境样品，光谱减法在提升有机质组成FTIR光谱表征能力方面具有显著潜力。

引言

土壤有机质（SOM）在大多数土壤样品中质量占比虽小，但与土壤功能相关的多种性质和过程密切相关，例如养分循环和碳封存¹. 表征土壤有机质（SOM）的组成是将SOM的形成与周转过程与其在土壤功能中的作用相联系的若干方法之一^2,3表征土壤有机质（SOM）组成的一种方法是傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术，该方法可检测构成土壤及其他环境样品中有机质的官能团。例如羧基 C-O，脂肪族 C-H⁴然而，对于大多数土壤（通常）而言，由于矿物组分占主导地位，傅里叶变换红外光谱（FTIR）在揭示土壤有机质（SOM）官能团组成方面的应用受到挑战。 > 95%的质量）由于强烈的无机吸收峰，干扰或严重限制了有机吸收峰的检测与解析。

光谱减法为改进土壤样品中有机质的傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征提供了一种方法。通过从土壤光谱中扣除矿物吸收信号，可增强对土壤有机质（SOM）组成分析中目标有机官能团吸收峰的识别。

（图1）。

与标准傅里叶变换红外光谱法（即，土壤光谱）相比，光谱差减法的优势包括：

（i）与普通土壤光谱相比，有机物吸收峰的分辨率和解析能力得到提升。尽管可通过假设土壤光谱中吸收率的相对差异源于有机官能团的差异来解析有机吸收带，但该方法仅适用于具有相同矿物组成且相对较高的土壤有机质（SOM）含量的样品，且对有机吸收带的变化可能不够敏感，即使对于被认为基本不含矿物的样品亦然。例如 脂肪族C-H伸缩振动⁵

（ii）对高土壤有机质样品或有机质富集提取物或组分以外的土壤进行分析

（iii）突出显示从模拟生态系统到野外尺度的实验处理所引起的变化⁶

光谱减法在土壤有机质FTIR分析中的其他应用包括补充结构和分子表征（例如核磁共振波谱法、质谱法^5,7，确定通过提取或破坏性分级分离所去除的土壤有机质（SOM）的组成⁸，以及用于法医学目的的SOM成分指纹分析⁹该方法适用于多种矿物-有机混合物，不仅限于土壤，还包括沉积物。¹⁰，泥炭¹¹，以及煤炭^12,13.

通过有机质去除以获得矿物参考光谱的示例，以及利用这些矿物参考光谱进行理想和非理想光谱减法并对其结果进行评估，展示了光谱减法在改进土壤有机质（SOM）傅里叶变换红外（FTIR）光谱表征方面的潜力。本演示重点介绍在中红外区（MIR，4,000 - 400 cm^-1）采集的漫反射红外傅里叶变换（DRIFT）光谱，因为这是土壤样品分析中广泛应用的方法⁴。

去除土壤有机质（SOM）以获得矿物富集参考光谱的两种示例方法为：(i) 高温燃烧法（“灰化”）和 (ii) 化学氧化法，使用稀释的次氯酸钠（NaOCl）。需注意，这些仅为常用的SOM去除方法示例，并非强制性推荐方案。其他SOM去除方法可能减少矿物结构的干扰或提高去除效率例如，低温灰化）¹⁴高温灰化是最早用于获取矿物富集参考光谱以进行差减分析的方法之一，最初用于源自土壤的有机质富集样品。例如，溶解性有机质，凋落物^15,16 随后将其应用于土壤整体样品^17,18. 用于去除土壤有机质（SOM）的化学氧化示例方法基于Anderson描述的NaOCl氧化法¹⁹最初开发该方法是为了在进行X射线衍射（XRD）分析前去除土壤样品中的有机质，后续研究也探讨了其作为对土壤有机质（SOM）稳定化过程敏感的化学分级方法的潜力^20,21高温去除法和使用次氯酸钠（NaOCl）的化学氧化法均可能引入与土壤特性相关的假象，并在光谱解析方面存在局限性，因此在选择土壤有机质（SOM）去除方法时应予以充分考虑。^14,22.

方案

1. 准备用于未经处理的DRIFT光谱分析和土壤有机质去除的土壤

1. 使用不锈钢筛网将土壤过筛至 < 2 mm（即“细土组分”）。
   注意：本实验采用两种质地相似但总有机质含量相差近3倍的土壤（表1）。

2. 化学氧化法去除SOM：以NaOCl为例

1. 将6% w/v的NaOCl溶液在搅拌条件下逐滴加入1 M HCl，并用pH计监测，调节pH至9.5。
   注意：大多数市售漂白剂（例如，Clorox）在质量和浓度（通常为3-7% NaOCl v/v）上均适用，但其pH值会有所不同 > 12. 由于次氯酸钠（NaOCl）对有机质的氧化作用具有pH依赖性，因此建议在土壤样品处理中使用pH 9.5的条件^19,23有必要调整大多数市售漂白剂的pH值。
2. 在50 mL锥形管中，将25 mL次氯酸钠溶液（6% w/v，pH 9.5）加入4 g土壤（过筛、风干）中，通过超声处理混合（600 s，输出频率20 kHz，功率200 W）。
3. 将混合物置于热水浴中孵育（80 °C，15 分钟），以提高氧化速率。
4. 离心以获得澄清的上清液（例如，4,000 × g 离心 15 分钟（适用于质地较粗的土壤；室温）。手动将上清液倾入废液容器中。
   注意：上清液中 NaOCl 的浓度（保守假设无氧化反应发生，因此 NaOCl 未被消耗）与市售家用漂白剂的浓度相同。质地较细的土壤可能需要更长的离心时间。例如，最多额外增加15-30分钟）在特定离心机转速下（例如，4,000 × g）离心，获得澄清的上清液。
5. 重复步骤 2.3 和 2.4，共进行三次氧化步骤。
6. 在最后一次氧化步骤后，加入20 mL去离子H₂O (dH₂将O)加入土壤中，使用水平摇床（120 rpm）混合5分钟。在4,000 × g条件下室温离心15分钟。重复处理，共进行三次。
7. 使用刮勺和 dH₂O₂根据需要使用洗瓶加水，将离心管底部的土壤团块取出并冲洗至塑料称量皿（或其他高表面积容器）中。在烘箱中干燥（最高60 °C，48 h），直至达到风干状态。
8. 土壤样品干燥后，使用碳氮分析仪通过燃烧-气相色谱法测定总有机碳含量²⁴计算氧化处理前后有机碳浓度的差值，以确定SOM的去除量。
   注意：由于有机质和土壤结构的丧失，土壤容易发生板结，特别是砂粒含量较低的土壤。可能需要施加轻微压力和/或手工研磨，以重新均质化板结的土壤。含有无机碳的土壤（即， 碳酸盐需要额外的步骤，才能通过燃烧-气相色谱法准确定量有机碳^25,26.

3. 高温燃烧法去除土壤有机质

1. 使用药匙量取约1-2 g土壤（经筛分、风干）放入瓷坩埚中。
2. 使用马弗炉在 550 °C 下加热 3 小时。
   注意：这是采用相对高温燃烧法去除SOM的一个示例方法。参考 讨论 替代方案例如，温度）

4. DRIFT 光谱法

注意：本示例将使用材料表中列出的傅里叶变换红外光谱仪软件。

1. 获取未处理土壤和去除SOM处理后的矿物富集参考样品的光谱。
   1. 制备土壤样品。
      1. 稀释样品（可选）。
         1. 使用在105 °C下干燥并保存在干燥器中以去除残留水分的分析纯KBr（或其他卤化物盐）。对于土壤样品，有效的KBr稀释比例可在1–33%范围内实现，而相比之下 < 纯化合物为1%。
         2. 将土壤与KBr混合，最终样品质量为100–400 mg。例如，进行3%稀释时，取12 mg干燥样品与60 mg KBr在玛瑙研钵中轻轻研磨60秒。随后，将328 mg KBr“折叠式加入”以充分均质化样品。
         3. 使用 KBr 进行系列稀释，以获得较高的最终稀释倍数（ < 1%）。进行重复稀释以确保可重复性，尤其是稀释后的样品使用了10¹-10² 比纯净样品更少的土壤。
      2. 将未经处理和已处理的土壤样品通过手工研磨和过筛，研磨至相近的一致性（例如，250 µm（使用60#筛网）
         注意：与手工研磨相比，自动化处理（尤其是球磨）可实现更高的均一性。然而，由于土壤有机质去除过程中所用土壤量相对较少（例如，由于坩埚体积限制（1-3 克用于灰化），手工研磨可能更为实用。
   2. 采集背景光谱。
      1. 将KBr样品（研磨方式与土壤样品相同（见4.1.1.2），以模拟土壤基质效应）装入样品杯或板孔中。
         注意： "背景光谱" 与用于进行差减的矿物富集参考光谱（见4.1.3）不同。背景光谱将由软件用于在采集土壤样品光谱时去除大气及其他环境吸收信号。所有软件操作描述均针对所选软件，若使用其他软件需相应调整。
      2. 用CO吹扫光谱仪腔室₂- 和 H₂O-吹扫空气（通过吹扫气发生器）或 N₂ 气体以提高采集条件的一致性。例如，在环境气氛下采集光谱时，可能会因湿度和CO₂浓度的微小波动而受到影响₂ 可能导致吸光度光谱发生变化。
         注意：较新型的光谱仪可能配备有镜面（例如、金、碳化硅）等可能降低湿度影响的材料。
      3. 使用与采集样品光谱相同的检测器和采集参数设置（包括扫描次数、波数范围和分辨率）来采集背景光谱。
         1. 打开下拉菜单 实验 并选择所需的实验采集方法（例如, 采集模式).
            注意：本示例中使用选定的光谱仪（参见 材料表），所选方法为 iS50 主舱室.
         2. 点击 实验装置 选择光谱采集参数的图标。
         3. 在……之下 收集 选项卡，检查扫描次数和分辨率是否符合实验目标；例如，纯净土壤 DRIFT 光谱的常用设置为 128 次扫描，分辨率 4 cm⁻¹^-1 分辨率。点击 好的 以保存更改。
         4. 点击 采集背景数据 用于采集背景光谱。保存背景光谱，以供后续采集土壤（处理与未处理）样品光谱时使用。
   3. 获取土壤样品的光谱。
      注意：采集背景和样品（未处理土壤、矿物富集土壤）光谱时，应使用相同的采集参数。不同检测器在采集时间和分辨率上的差异会影响采集时间与光谱质量，需权衡考虑。土壤光谱的典型扫描次数范围为128–512次。可通过减少单次扫描次数并平均多次重复测量来达到目标总扫描次数。例如，对同一样品在两个不同孔位中进行两次分析重复，每次扫描64次，然后取平均值，总计获得128次扫描。
      1. 加载土壤样品。为确保装样一致并尽量减少表面粗糙度，将样品倒入样品杯（或样品孔）中，直至略微高出杯口或边缘。然后，使用平整的边缘将杯中的土壤表面刮平例如，剃刀）刮平，使杯中土样高度与杯口齐平。
         注意：由于在漫反射模式下红外光会与土壤等基质发生相互作用，样品装填方式可能影响漫反射傅里叶变换红外光谱（DRIFT）。样品不应被压实或施加压力，因为填充密度会影响吸光度。样品颗粒越细，越有利于表面平整（见4.1.2.1）。根据光谱仪型号和样品密度的不同，填满一个样品杯所需的样品质量通常在300至600 mg之间。对于微孔板中的孔穴，所需样品量还取决于孔的大小。孔数较多的微孔板其单孔体积较小，因此所需样品量更少。例如，96孔板的常见孔体积为360 µL，而24孔板的孔体积为3.4 mL。
      2. 采集未经处理和经过处理的土壤样品的光谱。首先确认使用了先前采集的背景光谱（见4.1.2.3.4）。点击 实验装置. 在……之下 收集 标签，选择 使用指定的背景文件 并加载背景光谱文件。单击 好的 以保存更改。要开始对土壤进行光谱采集，请点击 采集样本.
         注意：将同一样品重新加载到不同的孔或样品杯中，以采集重复光谱，从而校正由表面粗糙度和基质密度差异引起的散射伪影。
2. 进行光谱扣除。
   注意： 减法因子（SF） 衡量矿物参考光谱中的吸光度在多大程度上从未经处理土壤光谱中对应波数处的吸光度中被扣除。针对旨在提高有机吸光度分辨率以表征土壤有机质（SOM）的扣除操作，建议充分利用大多数光谱仪提供的全部中红外（MIR）范围例如，4 000 至 650 或 400 cm⁻¹^-1，具体取决于检测器）。以下步骤描述了一种确定SF的经验方法。所有软件操作说明均针对所选用的软件，若使用其他软件需相应调整。
   1. 使用软件程序的减法功能，调整减法因子（SF），以最小化或降低目标矿物峰和/或矿物峰，和/或最大化线性基线¹⁴.
   2. 同时选择未处理和已处理的土壤光谱，然后单击 减去 屏幕顶部中央的图标；所选的第一个光谱（未处理土壤）将作为减去第二个光谱（处理后土壤）的基准光谱。
   3. 使用垂直切换栏或箭头按钮增加或减少屏幕左侧的SF值。观察预览的差减谱图中的变化。
      1. 使用此迭代功能来确定合适的 SF，具体方法如所述 代表性结果数值SF显示在切换栏中央。要调整SF值的范围，请使用 更细的 和 较粗的 按钮。
   4. 点击 添加 （屏幕右上方）将计算得到的差谱载入窗口。
      注意：由于大多数矿物的吸收峰在多数（即使不是全部）土壤样品中与浓度之间并非线性关系，因此通常难以完全消除所有矿物峰。建议保留那些被认为较不易发生反演的矿物峰例如， 类石英的 Si-O，在 2,100–1,780 cm⁻¹^-1)¹⁴ 可将目标峰作为参照，通过调节SF来实现归零。
   5. 记录并报告执行减法的详细方法，提供足够的细节以允许他人从未经处理的土壤光谱中独立计算出相同的减法光谱，包括：（1）用于减法的波数范围，（2）所使用的缩放因子（SF）或SF范围，以及（3）被设为零的（矿物）峰或区域。
      注意：检验减法运算可靠性的一个有效方法是，由同一操作者使用报告中的减法参数重新进行该操作，和/或由不同操作者独立地重复该过程。
3. 解析光谱。
   1. 利用各种可用资源进行光谱解析，分析并解释所得的差减光谱，特别是将吸收峰归属到有机官能团⁴.
      注意：差减光谱的其他应用包括多元分析（例如，主成分分析），土壤分析物的化学计量学预测²⁷，甚至法医指纹鉴定⁹.

结果

SOM 去除方法对差减光谱的解析具有实际和理论上的双重意义。例如，高温灰化引起的矿物结构变化可能在矿物参考光谱中表现为峰的消失或出现，以及峰的位移或展宽。这些光谱伪影容易出现在与有机物吸收带重叠的 1,600–900 cm^-1 区域²²，从而干扰对有机物吸收带的解析。高温灰化（≥ 550 °C）后矿物吸收峰的常见变化如图2所示，包括在 3,700–3,600 cm^-1 处 OH 吸收峰的消失，以及在 1,050–800 cm^-1 范围内晶格 Si-O 和 Al-O 吸收峰的减弱或位移。相比之下，采用化学氧化法去除 SOM 通常能更好地保留矿物官能团，因而产生较少的光谱伪影（见讨论部分）。然而，这种方法通常以较低的 SOM 去除效率为代价²⁸，这一点在示例土壤中已有体现（表2）。因此，基于...

讨论

去除土壤有机质（SOM）的方法需考虑两个方面：1）被去除的SOM量；2）所得矿物参考光谱中的吸光度伪影。幸运的是——甚至可以说有必要——识别并量化这些问题，以避免对所得差减光谱中SOM组成的解释产生偏差。理想情况下，光谱差减应采用仅含矿物的参考光谱，以获得“纯”SOM的光谱。实际上，所得的差减光谱中对应于SOM的吸光度相对于原始（未经处理）土壤光谱是增强的。这是因为土壤样品中矿物组分的非线性吸光特性导致无法完全扣除所有矿物吸光度。伪影性的矿物吸光特征和/或SOM去除不完全，分别限制了对特定吸光特征或对总SOM库的解释。

如本文所示例，去除土壤有机质（SOM）以获得矿物参考光谱的两种常用方法（高温燃烧或灰化法与化学氧化法）往往在SOM去除程度与光谱伪影之间存在权衡。这对差减光谱的解释具有明显影响。与灼失量（LOI）法用于估算SOM含量的原理相同，高温灰化（≥ 350 °C）几乎可完全去除SOM，但可能改变矿物晶体结构，从而导致矿物吸收峰发生变化。如本文所示，若灰化前后矿物的光谱贡献存在差异，则这些变化将在差减光谱中表现为伪影。矿物的热敏感性具有矿物特异性，这限制了基...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Nicolet iS50 光谱仪	Thermo Fisher Scientific	912A0760	用于采集光谱的红外光谱仪
EasiDiff	Pike Technologies	042-1040	高通量样品支架
OMNIC	Thermo Fisher Scientific	INQSOF018	用于进行光谱扣除的软件
6% v/v 次氯酸钠	Clorox	n/a	市售普通漂白剂，用于氧化去除土壤有机质
Type 47900 马弗炉	VWR International	30609-748	用于灰化土壤以去除土壤有机质的马弗炉
VWR Gooch 坩埚，瓷质	VWR International	89038-038	用于灰化的坩埚
VWR 50 mL 无菌试管 CS500	VWR International	89004-364	用于盛装次氯酸钠溶液
鼓风干燥箱	VWR International	89511-414	用于氧化及水洗后土壤的干燥
VersaStar pH 计	Fisher Scientific	13 645 573	用于测量氧化溶液的 pH 值