通过光谱减法改进土壤有机质的红外光谱表征

该方法有助于改善对有机质及环境固体基质（如土壤和沉积物）的表征。该技术的主要优势在于，能够减少土壤光谱中矿物干扰，从而克服对土壤有机质组分解析的限制。该技术的应用意义还可延伸至其他以矿物为主的环境样品，除土壤外，还包括沉积物和化石矿物等。

通常，初次接触该方法的研究人员在确定最佳减法因子时会遇到困难。需要牢记的是，减法因子的实际取值由实验目标决定。在探索不同减法因子数值时，请始终考虑这一点。

我的实验室开展差减法研究已有大约10年时间，主要目标是识别与土壤有机碳质量相关的吸收峰。最初，我们希望研究风蚀在移除农田土壤中不同形态土壤碳过程中的作用。对该方法进行可视化演示非常有帮助，因为其中耗时的氧化步骤以及差减因子的调整需要通过实际操作来积累经验，而观看他人如何执行这些操作可为实践提供指导。

首先，使用不锈钢筛网将土壤过筛至粒径小于2毫米。随后，在搅拌并用pH计测量的同时，逐滴加入1摩尔盐酸溶液，将6%次氯酸钠溶液的pH值调节至9.5。在50 mL锥形管中，向4克过筛后的土壤加入25 mL pH为9.5的次氯酸钠溶液，并通过超声处理进行混合。

超声处理后，将混合物置于80摄氏度水浴中孵育15分钟，以提高氧化速率。离心混合物以获得澄清的上清液，然后手动将上清液倾倒至废液容器中。

在最后一次氧化步骤后，向土壤中加入 20 mL 去离子水，并使用水平摇床在 120 RPM 条件下混合 5 分钟。在室温下以 4000 × g 离心 15 分钟。根据需要使用刮勺和洗瓶中的去离子水，将离心管底部的土壤沉淀转移至塑料称量皿中。

然后，在60摄氏度下将样品烘干48小时。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。对于通过高温燃烧去除土壤有机质（SOM），用刮勺取1至2克过筛后的土壤放入瓷坩埚中。

然后，使用马弗炉在550摄氏度下将样品加热3小时。通过手工研磨，将未经处理和经过处理的土壤样品研磨至相似的细度。随后，将先前研磨好的KBr样品装入傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）的样品杯中。

为采集背景光谱，请在软件中打开实验的下拉菜单，并选择所需的实验采集方法。单击实验设置图标以选择光谱采集参数。在“采集”选项卡下，确认扫描次数和分辨率符合实验目标的要求。

单击“确定”以保存更改。然后，单击采集背景图标以采集背景光谱。接下来，将土壤样品倒入样品杯中，直至略微溢出，以确保装样一致并尽量减少表面粗糙度。

然后，使用平边工具将杯中的土壤表面抹平，使土样高度与杯口齐平。为采集未处理和处理后土样的光谱，单击实验设置。在采集选项卡下，选择使用指定的背景文件，并加载背景光谱文件。

然后，单击“确定”以保存更改。要开始对土壤进行光谱采集，请单击“采集样品”。要执行光谱扣除，请使用软件程序的扣除功能将峰归零；通过调整扣除因子，以最小化或减弱目标矿物峰，和/或最大化线性基线。

同时选择未经处理和经过处理的土壤光谱，然后点击减法图标。首先选中的未经处理的土壤光谱将作为被减光谱，从其中减去第二个经过处理的土壤光谱。使用垂直切换条和箭头来增加或减少减法因子。

观察预览的差减光谱中的变化。最后，单击“添加”以将计算得到的差减光谱载入窗口。高温灰化后矿物谱带的常见变化包括：OH峰的消失，以及晶格中硅-氧和铝-氧峰的减弱与位移。

土壤A经次氯酸钠氧化后，有机碳损失了89%，而灼烧法损失了97%，但次氯酸钠氧化法保留了灼烧所改变的矿物吸收特征。随着扣除因子的增加，对应于矿物的吸收峰吸光度降低，尤其是OH和硅氧键（Si-O）吸收峰。与此同时，有机官能团的吸光度增加，例如脂肪族CH、酰胺CN和NH，以及/或芳香族CC。尽管在波数2100至1780范围内，通过使用0.76的扣除因子可完全消除类似石英的硅氧键（Si-O）信号，但出现明显的W形反演，表明扣除光谱的解析应限于波数大于1200的区域。

通过过度减去矿物参考光谱来增强脂肪族 CH 伸缩振动峰，会导致剩余光谱无法解释，包括对应于大多数有机官能团的区域，而这些官能团与土壤有机质（SOM）表征密切相关。对于特定的 SOM 去除方法，高有机质土壤与低有机质土壤的减谱图之间存在明显的视觉差异，而在未经处理的土壤光谱中，这些差异较不明显或不存在。在实施该过程时，重要的是要记住进行质量控制，例如检测特定方法对特定样品去除的有机质含量。

评估差减因子是否适合实验目标也非常重要。按照此步骤，还可进行其他方法，如核磁共振或质谱分析，以提供有关土壤有机质结构的补充信息。随着该技术的不断发展，该方法正在帮助土壤科学、地球化学和沉积学领域的研究人员探索矿物主导样品中有机质的官能团组成。

观看本视频后，您应能够充分理解如何从土壤样品中去除有机质，以获得富含矿物的参考光谱，用于扣除矿物吸收峰。请务必注意，使用次氯酸钠等氧化剂可能存在危险。在进行该操作时，应始终采取适当的预防措施，例如佩戴个人防护装备。