Methodenartikel

Verbesserung der Infrarot-Spektroskopie Charakterisierung der organischen Bodensubstanz mit spektralen Subtraktionen

DOI:

10.3791/57464

⸱

10. Januar 2019

 ,  , 
1Department of Crop Sciences, University of Illinois Urbana-Champaign, 2Department of Land, Air and Water Resources, University of California Davis, 3Central Great Plains Resources Management Research, USDA ARS

In diesem Artikel

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

SOM zugrunde liegt, viele Funktionen des Bodens und Prozesse, sondern seine Charakterisierung von FTIR-Spektroskopie wird oft durch mineralische Interferenzen herausgefordert. Das beschriebene Verfahren kann den Nutzen SOM Analyse von FTIR-Spektroskopie zu erhöhen, durch Subtraktion mineralischen Störungen im Boden Spektren mit empirisch gewonnen mineralischen Referenz Spektren.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Organischen Bodensubstanz (SOM) unterliegt zahlreichen Boden Prozesse und Funktionen. Fourier-Transformation (FTIR) Infrarotspektroskopie erkennt Infrarot-aktiv organische Bindungen, die den organischen der Böden Bestandteil. Allerdings erzeugt der relativ geringe organische Angelegenheit Inhalt Böden (häufig < 5 % durch Masse) und Extinktion Überlappung von mineralischen und organischen funktionellen Gruppen in der mittleren Infrarot (MIR) Region (4.000-400 cm-1) erhebliche Störungen durch dominant mineralische Absorptionswerte, herausfordernd oder sogar verhindert Interpretation der Spektren für SOM Charakterisierung. Spektrale Subtraktionen, eine Post-hoc-mathematische Behandlung von Spektren, können mineralische Störungen reduzieren und Auflösung von Spektralbereichen durch mathematisch entfernen mineralische Absorptionswerte organischen funktionellen Gruppen entsprechend erhöhen. Dies erfordert eine Mineralien angereicherte Referenzspektrum, die für einen bestimmten Bodenprobe empirisch gewonnen werden können, durch Entfernen von SOM Die Mineralien angereicherte Referenzspektrum wird aus dem ursprünglichen (unbehandelt) Spektrum der Bodenprobe herzustellen ein Spektrum repräsentieren SOM Absorptionswerte abgezogen. Gemeinsame Methode zur Haarentfernung SOM gehören Hochtemperatur-Verbrennung ("Warnsignal") und chemische Oxidation. Auswahl an der SOM Entfernungsmethode trägt zwei Überlegungen: (1) die Höhe der SOM entfernt, und (2) Absorption Artefakte in das Mineral zu verweisen, Spektrum und damit das daraus resultierende Subtraktion Spektrum. Diese potenziellen Probleme können und sollte, identifiziert und quantifiziert zur Vermeidung von trügerischen oder einseitige Interpretationen der Spektren für Bio funktionellen Gruppe Zusammensetzung der Som Nach SOM entfernen wird die daraus resultierende Mineralien angereicherte Probe verwendet, um eine mineralische Referenzspektrum sammeln. Verschiedene Strategien existieren, um Abzüge je nach experimentellen Ziele und Probe Eigenschaften, vor allem die Bestimmung des Faktors Subtraktion durchführen. Das daraus resultierende Subtraktion Spektrum erfordert sorgfältige Auslegung basierend auf der oben genannten Methode. Für viele Böden und anderen Umweltproben mit erheblichen Mineralbestandteile Subtraktionen starkes Potential besitzen FTIR spektroskopische Charakterisierung organischer Zusammensetzung.

Einleitung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Organischen Bodensubstanz (SOM) ist ein kleiner Bestandteil von Masse in den meisten Bodenproben aber ist verwickelt in mehreren Eigenschaften und Prozesse zugrunde liegenden Funktionen des Bodens, z. B. Nährstoff Radfahren und Kohlenstoff-Sequestrierung1. Charakterisierung der Zusammensetzung von SOM ist einer der mehrere Ansätze, SOM Bildung und Umsatz mit seinen Rollen im Boden Funktionen2,3zu verbinden. Eine Methode der Charakterisierung SOM Zusammensetzung ist Fourier-Transformation (FTIR) Infrarotspektroskopie, die Erkennung von funktionellen Gruppen anbietet, die organischen Substanz in Böden und anderen Umweltproben (z.B.Carboxylgruppen C-O, aliphatische C-H) darstellen 4. jedoch das Dienstprogramm der FTIR-Spektroskopie für die Preisgabe von SOM Funktionsgruppe Zusammensetzung wird durch die dominante mineralische Komponente für die meisten Böden herausgefordert (in der Regel > 95 % Masse) durch starke anorganische Absorptionswerte, die Herausforderung oder Schränken Sie, Erkennung und Interpretation der organischen Absorptionswerte.

Spektrale Subtraktionen bieten eine Möglichkeit, FTIR spektroskopische Charakterisierung der organischen Substanz im Bodenproben zu verbessern. Subtrahieren von mineralischen Absorptionswerte aus dem Boden-Spektrum lässt sich Absorptionswerte der organischen funktionellen Gruppen von Interesse bei der Analyse von SOM Zusammensetzung zu verbessern

(Abbildung 1).

Vorteile von spektralen Subtraktionen über standard FTIR-Spektroskopie (d.h. Boden-Spektren) umfassen:

(i) verbesserte Auflösung und Auslegung der organischen Absorption Bands im Vergleich zu normalen Boden Spektren. Obwohl die Auslegung der organischen Bands in Boden-Spektren von ausgeführt werden kann, geht man davon aus, dass die relativen Unterschiede in Absorption aufgrund von Unterschieden in organischen funktionellen Gruppen sind, schränkt dies Vergleiche mit Proben mit dem gleichen Mineralogie und relativ hohen SOM Inhalt, und möglicherweise weniger empfindlich gegen organische Bands, auch diese als relativ frei von Mineral sein (z. B. aliphatische C-H-Verbindung)5

(Ii) Analyse der Böden über hohen SOM Proben oder organischen Materie angereicherte Extrakte oder Brüche

(Iii) Hervorhebung der Veränderungen, die durch experimentelle Behandlungen von Mesokosmen Feld Skalen6

Zusätzliche Anwendungen der spektralen Subtraktionen FTIR Analyse von SOM sind ergänzend zu Struktur- und molekulare Charakterisierung (z.B., NMR-Spektroskopie, Massenspektrometrie)5,7, Ermittlung der Zusammensetzung der SOM durch eine Extraktion oder destruktive Fraktionierung8und Fingerabdruck SOM Komposition für forensische Zwecke9entfernt. Diese Methode gilt für eine Vielzahl von mineralisch-organische Gemische über Böden, einschließlich Sediment10, Torf11und Kohle12,13.

Das Potenzial der spektralen Subtraktionen, FTIR spektroskopische Charakterisierung von SOM zu verbessern, zeigt anhand von Beispielen der organischen Substanz Entfernung mineralischer Referenz Spektren zu erhalten, und dann, mit Hilfe dieser Mineralien verweisen Spektren, Durchführung und Bewertung von ideal und nicht-ideale spektrale Subtraktionen. Diese Demonstration konzentriert sich auf diffuse Reflexion Infrarot-Fourier-Transformation (DRIFT) Spektren gesammelt in der Region des mittleren Infrarot (MIR, 4.000-400 cm-1), denn dies ist eine weit verbreitete Ansatz für die Analyse von Boden Proben4.

Die zwei Beispiel SOM Entfernung für den Erhalt der Mineralien angereicherte Referenzspektrum sind (i) Hochtemperatur-Verbrennung ("Warnsignal") und (Ii) chemische Oxidation mit verdünnter Natriumhypochlorit (NaOCl). Es sei darauf hingewiesen, dass diese Beispiele der verwendeten Methoden der Haarentfernung SOM, sondern als normative Empfehlungen sind. Andere Methoden der SOM Entfernung können bieten reduzierte mineralische Artefakte und/oder Entfernung Raten (z.B. Niedertemperatur-Warnsignal)14erweitert. Hochtemperatur-Warnsignal war eines der ersten Verfahren verwendet, um Mineralien angereicherte Referenz Spektren für Durchführung von Subtraktionen, zunächst für OM-angereicherten Proben aus Böden (z.B.gelöster organischer Substanz, Wurf) abgeleitet15, 16 , gefolgt von seiner Anwendung zu bulk-Boden Proben17,18. Die Beispiel chemische Oxidation verwendet, um SOM basiert auf der Methode der NaOCl Oxidation von Anderson19beschrieben. Dies wurde ursprünglich als eine Vorbehandlung zur Entfernung von organischen Stoffen in Bodenproben vor Röntgenbeugungsanalyse (XRD) entwickelt und ist untersucht worden, als eine mögliche chemische Fraktionierung empfindlich auf SOM Stabilisierung20, 21. sowohl Hochtemperatur-Entfernung und chemische Oxidation mit NaOCl können zur Folge haben Boden-spezifische Artefakte und Einschränkungen auf spektrale Interpretation, die berücksichtigt werden sollten, bei der Auswahl einer Methode von SOM Entfernung14, 22.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Protokoll

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. bereiten Sie den Boden für unbehandelten DRIFT-Spektroskopie und SOM Entfernung

  1. Sieb die Erde < 2 mm mit einer Edelstahl-Filtergewebe ("Fine-Erde-Bruch").
    Hinweis: Diese Demonstration beschäftigt zwei Böden von ähnlicher Beschaffenheit aber einen fast 3-fold Unterschied in SOM Gesamtgehalt (Tabelle 1).

(2) SOM Entfernung durch chemische Oxidation: Beispiel von NaOCl

  1. Stellen Sie den pH-Wert von 6 % w/V NaOCl bis pH 9.5 durch Zugabe von 1 M HCl tropfenweise zur Lösung beim Mischen und mit dem pH-Meter messen.
    Hinweis: Die meisten kommerziellen Bleichmittel (z.B.Clorox) eignen sich in Qualität und Konzentration (in der Regel 3-7 % NaOCl V/V) aber müssen pH-Wert > 12. Wie NaOCl Oxidation der organischen Substanz pH-abhängig ist, und pH 9.5 sich für den Einsatz mit Boden Proben19,23 empfiehlt, ist es notwendig, die Einstellung des pH-Wertes von den meisten im Handel erhältlichen Bleichmittel.
  2. 4 g Boden 25 mL NaOCl (6 % w/V, pH 9,5) hinzufügen (gesiebt, luftgetrocknet) in einem 50 mL konische Rohr und die Mischung durch Ultraschallbehandlung (600 s, Ausgangsfrequenz 20kHz, Leistung 200 W).
  3. Inkubieren Sie die Mischung in einem Warmwasser-Bad (15 min, 80 ° C), Oxidationsrate zu erhöhen.
  4. Zentrifuge, einen klaren Überstand (z.B.15 min bei 4.000 × g für gröbere strukturierte Böden, Raumtemperatur) zu erhalten. Manuell Dekantieren des Überstands in einen Abfallbehälter.
    Hinweis: Die Konzentration von NaOCl im Überstand (konservativ vorausgesetzt, keine Oxidation und somit kein Verbrauch von NaOCl) ist dasselbe wie handelsübliche Bleichmittel für den Hausgebrauch. Feiner strukturierte Böden können Zentrifugation länger (z.B., bis eine zusätzliche 15-30 min) bei einer gegebenen Zentrifuge Geschwindigkeit (z.B. 4.000 × g) benötigen, um einen klaren Überstand zu erhalten.
  5. Wiederholen Sie die Schritte 2.3 und 2.4 zweimal für eine Gesamtmenge von drei Schritten Oxidation.
  6. Fügen Sie nach dem letzten Oxidationsschritt 20 mL entionisiertem H2O (dH2O) am Boden und hinzu-Mix für 5 min mit einem horizontalen Shaker (120 u/min). Zentrifuge für 15 min bei 4000 × g und Raumtemperatur. Wiederholen Sie für insgesamt drei Behandlungen.
  7. Mit einen Spachtel und dH2O aus einer Spritzflasche nach Bedarf, zu extrahieren und auswaschen Boden Pellet vom unteren Rand das Zentrifugenröhrchen in einem Kunststoff wiegen Boot (oder einen anderen Behälter mit hoher Oberfläche). Backofen-trockenen (60 ° C Max., 48 h) in einen luftgetrockneten Zustand.
  8. Sobald die Bodenprobe getrocknet ist, quantifizieren Sie insgesamt organischer Kohlenstoffgehalt von Verbrennung-Gaschromatographie mit einer C/N-Analysator-24. SOM verhindern, dass der Unterschied in der organischen Kohlenstoff-Konzentration vor und nach der Oxidationsbehandlung zu berechnen.
    Hinweis: Durch den Verlust von organischen Stoffen und Bodenstruktur, Boden anfällig für Krustenbildung, vor allem für Böden mit geringen Sandgehalt werden. Es möglicherweise notwendig, üben Sie sanften Druck und/oder hand Schleifen um den verkrusteten Boden neu zu homogenisieren. Böden mit anorganischen Kohlenstoff (z.B. Carbonate) erfordern zusätzliche Schritte zur Quantifizierung von organischen gebundenem Kohlenstoffs von Brenngas Chromatographie25,26.

(3) SOM Entfernung durch Hochtemperatur-Verbrennung

  1. Maßnahme ~ 1-2 g des Bodens (gesiebt, luftgetrocknet) in einer Porzellan-Tiegel mit einem Spatel.
  2. Bei 550 ° C für 3 h mit einem Muffelofen erhitzen.
    Hinweis: Dies ist eine Beispielmethode der SOM-Entfernung mit Verbrennung bei einer relativ hohen Temperatur. Siehe Diskussion auf alternative Verfahren (z.B. Temperatur).

4. DRIFT-Spektroskopie

Hinweis: In diesem Beispiel wird die FTIR-Spektrometer-Software aufgeführt in der Tabelle der Materialien verwendet werden.

  1. Spektren von unbehandeltem Boden und Mineralien angereicherte Referenzprobe (behandelt um SOM zu entfernen) zu erwerben.
    1. Bereiten Sie die Bodenproben.
      1. Verdünnen Sie die Proben (optional).
        1. Verwendung analysenrein KBr (oder andere Halogenidsalz) bei 105 ° C getrocknet und gelagert in den Exsikkator gestellt, um Restfeuchtigkeit zu entfernen. Für Bodenproben können effektivere KBr Verdünnungen in einem Bereich von 1-33 %, im Gegensatz zu < 1 % für reine Verbindungen erreicht werden.
        2. Mischen Sie Boden und KBr für eine endgültige Stichprobe-Größe von 100-400 mg. Zum Beispiel für eine 3 % ige Verdünnung, vorsichtig Schleifen 12 mg der trockenen Probe mit 60 mg KBr für 60 s mit einem Achat Mörser und Stößel. Dann, "unterheben" 328 mg KBr, die Probe vollständig zu homogenisieren.
        3. Verwenden Sie Verdünnungsreihen mit KBr, um eine hohe Endverdünnung (< 1 %) zu erzielen. Durchführen Sie Replicate Verdünnungen um Reproduzierbarkeit zu gewährleisten, zumal verdünnte Proben 101-102 verwenden Sie weniger Boden als ordentlich Proben.
      2. Schleifen von unbehandelten und behandelten Bodenproben in ähnlicher Konsistenz von Hand Schleifen und Siebung (z.B. 250 µm mit einem 60 # Sieb).
        Hinweis: Im Vergleich zur hand ist Schleifen, größere Konsistenz durch Automatisierung, insbesondere durch Kugel Fräsen erleichtert. Jedoch kann die relativ geringe Menge des Bodens in SOM entfernen (z.B. 1-3 g für Warnsignal aufgrund Tiegel) Mittel verwendet diese Hand Schleifen praktischer sein.
    2. Sammeln Sie die Hintergrund-Spektrum.
      1. Laden Sie eine Probe des KBr (Boden in der gleichen Weise wie Bodenproben (siehe 4.1.1.2), um Boden-Matrix-Effekte zu imitieren) in einer Probe Tasse oder Teller gut.
        Hinweis: Das "Hintergrund-Spektrum" unterscheidet sich von den Mineralien angereicherte Referenzspektrum (siehe 4.1.3) zur Ausführung von Subtraktionen verwendet. Das Hintergrund-Spektrum wird von der Software, atmosphärische zu entfernen und andere ambient Absorptionswerte bei Sammlung von Spektren auf Bodenproben verwendet werden. Alle Software-Beschreibungen beziehen sich auf die gewählte Software und anderer Software angepasst werden müssen.
      2. Die Spektrometer-Kammer mit CO2- und H2O geschrubbt Luft (über einen Aufräum-Gas-Generator) oder mit N2 Gas für mehr Kohärenz in Rücknahmebedingungen zu bereinigen. Zum Beispiel kann Sammlung von Spektren unter Umgebungsatmosphäre bedeuten geringe Schwankungen der Luftfeuchtigkeit und der CO2 , das Absorption Spektren führen kann.
        Hinweis: Neuere Spektrometer haben Spiegel (z.B. Gold, SiC), die potentiell Feuchtigkeit Effekte reduzieren kann.
      3. Sammeln Sie ein Hintergrund-Spektrum mit den gleichen Detektor und Erwerb Parametereinstellungen, einschließlich Scan Nummer, Wellenanzahl Reichweite und Auflösung, die verwendet wird, um die Spektren der Proben zu sammeln.
        1. Öffnen Sie die Drop-Down-Menü für Experiment und wählen Sie die gewünschte experimentelle Erhebungsmethoden (z.B. Akquisitionsmodus).
          Hinweis: In diesem Beispiel mit ausgewählten Spektrometer (siehe die Tabelle der Materialien), die ausgewählte Methode ist IS50 Main Fach.
        2. Klicken Sie auf Versuchsaufbau , um spektrale Aufnahmeparameter auszuwählen.
        3. Sicherstellen Sie unter der Registerkarte " sammeln ", dass die Anzahl der Scans und Auflösung für experimentelle Ziele geeignet sind; beispielsweise ist eine gemeinsame Einstellung für DRIFT-Spektren von gepflegten Böden 128 Scans mit 4 cm-1 Auflösung. Klicken Sie auf Ok um die Änderungen zu speichern.
        4. Klicken Sie auf Hintergrund zu sammeln , um ein Hintergrund-Spektrum zu sammeln. Speichern Sie das Hintergrund-Spektrum für den Einsatz in der Sammlung der Spektren von Böden (behandelt und unbehandelt).
    3. Spektren von Bodenproben zu erwerben.
      Hinweis: Verwenden Sie die gleiche Aufnahmeparameter, Hintergrund und Probe (unbehandelte Erde, Mineralien angereicherte Boden) sammeln Spektren. Unterschiede zwischen den Detektoren in Erfassungszeit und Auflösung stellen Kompromisse, die Abholzeit und spektrale Qualität auswirken. Typische Scan-Nummern für Boden-Spektrum-Reihe von 128-512-Scans. Scan-Anzahl verringert werden und Wiederholungen im Durchschnitt um eine totale Zielnummer Scan zu erhalten. Beispielsweise können zwei analytische Wiederholungen - die gleiche Probe in zwei separaten Brunnen geladen - gesammelt werden, mit 64-Scans und im Durchschnitt für eine Gesamtmenge von 128 Scans.
      1. Laden Sie die Bodenprobe. Konsequente laden zu gewährleisten und Rauheit der Oberfläche zu minimieren, Proben in der Probeschale Gießen (oder gut) bis hin zur Überfüllung leicht oberhalb der Lippe oder Rand der Tasse. Dann, Oberfläche glatt ist der Boden in der Tasse mit eine flache Kante (z.B. Rasierer) so, dass die Höhe des Bodens probieren in der Tasse bündig mit der Lippe des Cups.
        Hinweis: Durch das Zusammenspiel von Infrarotlicht mit einer Matrix wie Boden im diffusen Reflexion Modus kann Probenbeladung DRIFT Spektren beeinflussen. Proben sollten nicht verstopft oder Druck ausgesetzt, weil Packungsdichte Extinktion beeinflussen kann. Feiner Teilchengröße von Proben sorgt für größere Oberfläche glätten (siehe 4.1.2.1). Abhängig von der Spektrometer-Modell und die Dichte der Probe wird die Masse der Probe benötigt, um eine Probe Tasse füllen von 300 bis 600 mg reichen. Bei Platte Brunnen hängt dies auch von der gut Größe. Platten mit einer größeren Anzahl von Brunnen haben kleinere Brunnen und erfordert daher weniger Probe. 96-Well Platten haben beispielsweise häufig ein gut Volumen von 360 µL, während 24-Well Platten ein gut Volumen von 3,4 mL haben.
      2. Spektren von unbehandelten und behandelten Bodenproben zu sammeln. Erste Prüfung, die das Hintergrund-Spektrum bisher gesammelt (siehe 4.1.2.3.4) wird verwendet. Klicken Sie auf Versuchsaufbau. Wählen Sie unter der Registerkarte " sammeln " angegebenen Hintergrund-Datei verwenden und laden Sie die Hintergrund-Spektrum-Datei zu. Klicken Sie auf Ok um die Änderungen zu speichern. Um spektrale Sammlung auf dem Boden zu beginnen, klicken Sie auf Probe zu sammeln.
        Hinweis: Re-load der gleichen Probe in einen anderen Brunnen oder Probeschale replizieren Spektren für Streuung Artefakte produziert durch Oberflächenrauhigkeit und Variabilität in der Matrix Dichte Konto zu sammeln.
  2. Durchführen Sie spektrale Subtraktionen.
    Hinweis: Die Subtraktion Faktor (SF) wiegt der Grad, zu dem Absorptionswerte in den mineralischen Referenzspektrum von Absorptionswerte bei den entsprechenden Wellenzahl im Spektrum des unbehandelten Bodens abgezogen werden. Für Subtraktionen fokussiert auf die Verbesserung der Auflösung der organischen Absorptionswerte SOM zu charakterisieren empfiehlt es sich, die Gesamtheit der durch die meisten Spektrometer (z.B. 4.000 bis 650 oder 400 cm-1, abhängig von der Detektor) gewährte MIR zu nutzen. Die nächsten Schritte beschreiben eine empirische Methode zur Bestimmung der SF. Alle Software-Beschreibungen beziehen sich auf die gewählte Software und anderer Software angepasst werden müssen.
    1. Null, Gipfel mit der Subtraktion Option des Softwareprogramms, um Subtraktion-Faktor (SF) zu minimieren oder zu verringern ein Ziel mineralische Spitzen zu ändern und/oder mineralischen Gipfeln und/oder eine lineare Grundlinie14zu maximieren.
    2. Gleichzeitig wählen Sie die unbehandelten und behandelten Boden Spektren und subtrahieren klicken (oben in der Mitte des Bildschirms); das erste Spektrum ausgewählt (unbehandelte Boden) wird das Spektrum, von dem das zweite Spektrum (behandelten Boden) abgezogen, werden.
    3. Verwenden Sie die vertikale Knebel Bar oder Pfeile erhöhen oder verringern der SF (linken Bildschirmrand). Beachten Sie die Änderungen in der Vorschau Subtraktion Spektrum.
      1. Verwenden Sie diese iterative Funktion, um eine entsprechende SF zu bestimmen, da Vertreter Ergebnissebeschrieben. Der numerische Wert der SF erscheint in der Mitte der Toggle-Bar. Um die Reichweite des SF-Werte einzustellen, verwenden Sie die Schaltflächen Finer und gröberes .
    4. Klicken Sie auf Hinzufügen (oberen rechten Bildschirmrand) um das berechnete Subtraktion Spektrum in ein Fenster zu laden.
      Hinweis: Da die Mehrheit der Mineral Absorptionswerte sind nicht ist linear mit der Konzentration in den meisten (wenn nicht sogar alle) Bodenproben, es in der Regel nicht möglich, alle mineralischen Gipfel zu entfernen. Es wird empfohlen, dass mineralische Spitzen weniger anfällig für Inversion angesehen (z. B. Quarz-wie Si-O bei 2.100-1.780 cm-1)14 als Ziel Spitze verwendet werden, um Null-Out durch die Anpassung der SF.
    5. Aufnahme und Bericht methodische Details wie die Subtraktion mit ausreichend detailliert unabhängige Berechnung des gleichen Subtraktion Spektrums aus dem unbehandelten Böden Spektrum durchgeführt wurde unter anderem: (1) die Wellenzahl Region verwendet für die Subtraktion, (2). die SF oder Palette von SFs verwendet werden, und (3) (Mineral) Peak oder Region für Null-Ing, ausgerichtet.
      Hinweis: Ein guter Test für die Zuverlässigkeit der eine Subtraktion ist es aufs neue durchgeführt durch den gleichen Benutzer und/oder unabhängig von einem anderen Benutzer über die gemeldeten Subtraktion Parameter haben.
  3. Interpretieren Sie die Spektren.
    1. Durchführen Sie spektrale Auslegung mit verschiedenen Mitteln zu analysieren und interpretieren die resultierende Subtraktion Spektren in bestimmten Zuordnungen von Absorptionswerte auf organischen funktionellen Gruppen4.
      Hinweis: Andere Verwendungen von Subtraktion Spektren enthalten multivariate Analyse (z.B. Hauptkomponentenanalyse), chemometrischen Vorhersage vom Boden Analyten27und auch forensischen Fingerabdruck9.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Ergebnisse

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Methode der SOM Entfernung hat sowohl praktische als auch theoretische Implikationen für die Interpretation der Subtraktion Spektren. Zum Beispiel Mineral, die Veränderungen von Hochtemperatur-Warnsignal als Verluste oder Auftritte von Gipfeln und/oder als manifestieren können verschoben oder Gipfeln in der mineralischen Referenzspektrum erweitert. Diese spektralen Artefakte sind anfällig für in Regionen der Überlappung mit Bio Bands bei 1.600-900 cm-1,22<...

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Diskussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Methode zur Entfernung von SOM trägt zwei Überlegungen: (1) die Höhe der SOM entfernt, und (2) Absorption Artefakte in das resultierende Mineral verweisen Spektrum. Es ist glücklicherweise möglich — und wohl notwendig – zu identifizieren und Menge diese Fragen um einseitige Interpretationen von SOM Komposition aus dem daraus resultierenden Subtraktion Spektrum zu vermeiden. Im Idealfall würden spektrale Subtraktionen Mineral nur Referenzspektrum ein Spektrum von "reinen" Som Ausbeute beschäftigen. In Wirklichkeit ste...

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Offenlegungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wir freuen uns über die Führung von Dr. Randy Southard auf NaOCl Oxidation und verschiedenen Diskussionen über spektrale Subtraktionen mit Dr. Fungai F.N.D. Mukome.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Nicolet iS50 SpektrometerThermo Fisher Scientific912A0760Infrarotspektrometer zur Erfassung von Spektren
EasiDiffPike Technologies042-1040Probenhalter mit hohem Durchsatz
OMNICThermo Fisher ScientificINQSOF018Software zur Durchführung von Subtraktionen
6% v/v NatriumhypochloritCloroxn/agenerisches im Laden gekauftes Bleichmittel zur oxidativen Entfernung von organischer Substanz
im Boden Typ 47900 OfenVWR International30609-748Muffelofen zum Veraschen von Böden zur Entfernung von organischer Substanz
im Boden VWR Gooch Tiegel aus PorzellanVWR International89038-038Tiegel für die Veraschung
VWR Tube 50 mL steril CS500 VWR International89004-364für Natriumhypochlorit
UmluftofenVWR International89511-414zum Trocknen von Böden nach der Oxidation und Wasserwäsche
VersaStar pH-MessgerätFisher Scientific13 645 573zur Messung des pH-Werts der Oxidationslösung

Referenzen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Schmidt, M. W. I., et al. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property. Nature. 478 (7367), 49-56 (2011).
  2. Masoom, H., et al. Soil Organic Matter in Its Native State: Unravelling the Most Complex Biomaterial on Earth. Environmental Science & Technology. 50 (4), 1670-1680 (2016).
  3. Kallenbach, C. M., Frey, S. D., Grandy, A. S. Direct evidence for microbial-derived soil organic matter formation and its ecophysiological controls. Nature Communications. 7, 13630(2016).
  4. Parikh, S. J., Goyne, K. W., Margenot, A. J., Mukome, F. N. D., Calderón, F. J. Advances in Agronomy. 126, Academic Press. 1-148 (2014).
  5. Margenot, A. J., Calderón, F. J., Magrini, K. A., Evans, R. J. Application of DRIFTS, 13C NMR, and py-MBMS to Characterize the Effects of Soil Science Oxidation Assays on Soil Organic Matter Composition in a Mollic Xerofluvent. Applied Spectroscopy. 71 (7), 1506-1518 (2017).
  6. Calderón, F. J., Benjamin, J., Vigil, M. F. A Comparison of Corn (Zea mays L.) Residue and Its Biochar on Soil C and Plant Growth. PLoS ONE. 10 (4), e0121006(2015).
  7. Veum, K., Goyne, K., Kremer, R., Miles, R., Sudduth, K. Biological indicators of soil quality and soil organic matter characteristics in an agricultural management continuum. Biogeochemistry. 117 (1), 81-99 (2014).
  8. Cheshire, M. V., Dumat, C., Fraser, A. R., Hillier, S., Staunton, S. The interaction between soil organic matter and soil clay minerals by selective removal and controlled addition of organic matter. European Journal of Soil Science. 51 (3), 497-509 (2000).
  9. Cox, R., Peterson, H., Young, J., Cusik, C., Espinoza, E. The forensic analysis of soil organic by FTIR. Forensic science international. 108 (2), 107-116 (2000).
  10. Padilla, J. E., et al. Diffuse-reflectance mid-infrared spectroscopy reveals chemical differences in soil organic matter carried in different size wind eroded sediments. Aeolian Research. 15 (0), 193-201 (2014).
  11. Artz, R. R. E., et al. FTIR spectroscopy can be used as a screening tool for organic matter quality in regenerating cutover peatlands. Soil Biology and Biochemistry. 40 (2), 515-527 (2008).
  12. Painter, P. C., Coleman, M. M., Jenkins, R. G., Walker, P. L. Jr Fourier transform infrared study of acid-demineralized coal. Fuel. 57 (2), 125-126 (1978).
  13. Painter, P. C., Snyder, R. W., Pearson, D. E., Kwong, J. Fourier transform infrared study of the variation in the oxidation of a coking coal. Fuel. 59 (5), 282-286 (1980).
  14. Margenot, A. J., Calderón, F. J., Parikh, S. J. Limitations and Potential of Spectral Subtractions in Fourier-Transform Infrared Spectroscopy of Soil Samples. Soil Science Society of America Journal. 80 (1), 10-26 (2015).
  15. Chefetz, B., Hader, Y., Chen, Y. Dissolved Organic Carbon Fractions Formed during Composting of Municipal Solid Waste: Properties and Significance. Acta hydrochimica et hydrobiologica. 26 (3), 172-179 (1998).
  16. Haberhauer, G., Rafferty, B., Strebl, F., Gerzabek, M. H. Comparison of the composition of forest soil litter derived from three different sites at various decompositional stages using FTIR spectroscopy. Geoderma. 83 (3), 331-342 (1998).
  17. Sarkhot, D. V., Comerford, N. B., Jokela, E. J., Reeves, J. B., Harris, W. G. Aggregation and Aggregate Carbon in a Forested Southeastern Coastal Plain Spodosol. Soil Sci. Soc. Am. J. 71 (6), 1779-1787 (2007).
  18. Calderón, F. J., Reeves, J. B., Collins, H. P., Paul, E. A. Chemical Differences in Soil Organic Matter Fractions Determined by Diffuse-Reflectance Mid-Infrared Spectroscopy. Soil Sci Soc. Am. J. 75 (2), 568-579 (2011).
  19. Anderson, J. U. An improved pretreatment for mineralogical analysis of samples containing organic matter. Clays and Clay Minerals. 10 (3), 380-388 (1963).
  20. Zimmermann, M., Leifeld, J., Abiven, S., Schmidt, M. W. I., Fuhrer, J. Sodium hypochlorite separates an older soil organic matter fraction than acid hydrolysis. Geoderma. 139 (1-2), 171-179 (2007).
  21. Aoyama, M. DRIFT spectroscopy combined with sodium hypochlorite oxidation reveals different organic matter characteristics in density-size fractions of organically managed soils. Canadian Journal of Soil Science. , 1-11 (2016).
  22. Reeves, J. B. III Mid-infrared spectral interpretation of soils: Is it practical or accurate? Geoderma. 189 (0), 508-513 (2012).
  23. Cavallaro, N., McBride, M. B. Effect of selective dissolution on charge and surface properties of an acid soil clay. Clays clay miner. 32, 283-290 (1984).
  24. Yeomans, J. C., Bremner, J. M. Carbon and nitrogen analysis of soils by automated combustion techniques. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 22 (9-10), 843-850 (1991).
  25. Harris, D., Horwáth, W. R., van Kessel, C. Acid fumigation of soils to remove carbonates prior to total organic carbon or CARBON-13 isotopic analysis. Soil Science Society of America Journal. 65 (6), 1853-1856 (2001).
  26. Wang, X., Wang, J., Zhang, J. Comparisons of Three Methods for Organic and Inorganic Carbon in Calcareous Soils of Northwestern China. PLOS ONE. 7 (8), e44334(2012).
  27. Kamau-Rewe, M., et al. Generic Prediction of Soil Organic Carbon in Alfisols Using Diffuse Reflectance Fourier-Transform Mid-Infrared Spectroscopy. Soil Sci. Soc. Am. J. 75 (6), 2358-2360 (2011).
  28. Margenot, A. J., Calderón, F. J., Bowles, T. M., Parikh, S. J., Jackson, L. E. Soil Organic Matter Functional Group Composition in Relation to Organic Carbon, Nitrogen, and Phosphorus Fractions in Organically Managed Tomato Fields. Soil Science Society of America Journal. 79, 772-782 (2015).
  29. Yeasmin, S., Singh, B., Johnston, C. T., Sparks, D. L. Evaluation of pre-treatment procedures for improved interpretation of mid infrared spectra of soil organic matter. Geoderma. 304 (Supplement C), 83-92 (2017).
  30. Yeasmin, S., Singh, B., Johnston, C. T., Sparks, D. L. Organic carbon characteristics in density fractions of soils with contrasting mineralogies. Geochimica et Cosmochimica Acta. 218 (Supplement C), 215-236 (2017).
  31. Farmer, V. C. Effects of grinding during the preparation of alkali-halide disks on the infra-red spectra of hydroxylic compounds. Spectrochimica Acta. 8 (6), 374-389 (1957).
  32. Reeves, J. B. III, Smith, D. B. The potential of mid- and near-infrared diffuse reflectance spectroscopy for determining major- and trace-element concentrations in soils from a geochemical survey of North America. Appl Geochem. 24 (8), 1472-1481 (2009).
  33. Guillou, F. L., et al. How does grinding affect the mid-infrared spectra of soil and their multivariate calibrations to texture and organic carbon? Soil Research. 53 (8), 913-921 (2015).
  34. Stumpe, B., Weihermüller, L., Marschner, B. Sample preparation and selection for qualitative and quantitative analyses of soil organic carbon with mid-infrared reflectance spectroscopy. European Journal of Soil Science. 62 (6), 849-862 (2011).
  35. Barthès, B. G., Brunet, D., Ferrer, H., Chotte, J. -L., Feller, C. Determination of Total Carbon and Nitrogen Content in a Range of Tropical Soils Using near Infrared Spectroscopy: Influence of Replication and Sample Grinding and Drying. J Near Infrared Spectrosc. 14 (5), 341-348 (2006).
  36. Nduwamungu, C., Ziadi, N., Tremblay, G. F., Parent, L. -É Near-Infrared Reflectance Spectroscopy Prediction of Soil Properties: Effects of Sample Cups and Preparation. Soil Science Society of America Journal. 73 (6), 1896-1903 (2009).
  37. Nguyen, T., Janik, L. J., Raupach, M. Diffuse reflectance infrared Fourier transform (DRIFT) spectroscopy in soil studies. Soil Research. 29 (1), 49-67 (1991).
  38. Essington, M. E. Soil and Water Chemistry: An Integrative Approach. , Taylor & Francis. (2004).
  39. Reeves, J. B., Francis, B. A., Hamilton, S. K. Specular Reflection and Diffuse Reflectance Spectroscopy of Soils. Applied Spectroscopy. 59 (1), 39-46 (2005).
  40. Thermo Scientific. OMNIC User's Guide. , Thermo Fischer Scientific Inc. Madison, WI. (2006).
  41. Frost, R. L., Vassallo, A. M. The dehydroxylation of the kaolinite clay minerals using infrared emission spectroscopy. Clays and Clay Minerals. 44 (5), 635-651 (1996).
  42. Prasad, P. S. R., et al. In situ FTIR study on the dehydration of natural goethite. Journal of Asian Earth Sciences. 27 (4), 503-511 (2006).
  43. Suitch, P. R. Mechanism for the Dehydroxylation of Kaolinite, Dickite, and Nacrite from Room Temperature to 455°C. Journal of the American Ceramic Society. 69 (1), 61-65 (1986).
  44. Ernakovich, J. G., Wallenstein, M. D., Calderón, F. J. Chemical Indicators of Cryoturbation and Microbial Processing throughout an Alaskan Permafrost Soil Depth Profile. Soil Sci. Soc. Am. J. 0 (0), (2015).
  45. Suarez, M. D., Southard, R. J., Parikh, S. J. Understanding Variations of Soil Mapping Units and Associated Data for Forensic Science. Journal of Forensic Sciences. , (2015).
  46. Kaiser, M., Ellerbrock, R. H., Gerke, H. H. Long-term effects of crop rotation and fertilization on soil organic matter composition. European Journal of Soil Science. 58 (6), 1460-1470 (2007).
  47. Janik, L. J., Merry, R. H., Skjemstad, J. O. Can mid infrared diffuse reflectance analysis replace soil extractions? Australian Journal of Experimental Agriculture. 38 (7), 681-696 (1998).
  48. Adegoroye, A., Uhlik, P., Omotoso, O., Xu, Z., Masliyah, J. A comprehensive analysis of organic matter removal from clay-sized minerals extracted from oil sands using low temperature ashing and hydrogen peroxide. Energy & Fuels. 23 (7), 3716-3720 (2009).
  49. Mikutta, R., Kleber, M., Jahn, R. Poorly crystalline minerals protect organic carbon in clay subfractions from acid subsoil horizons. Geoderma. 128 (1-2), 106-115 (2005).
  50. Siregar, A., Kleber, M., Mikutta, R., Jahn, R. Sodium hypochlorite oxidation reduces soil organic matter concentrations without affecting inorganic soil constituents. European Journal of Soil Science. 56 (4), 481-490 (2005).
  51. von Lützow, M., et al. SOM fractionation methods: Relevance to functional pools and to stabilization mechanisms. Soil Biology and Biochemistry. 39 (9), 2183-2207 (2007).
  52. Margenot, A. J., Calderón, F. J., Magrini, K. A., Evans, R. J. Application of DRIFTS, 13C NMR, and py-MBMS to Characterize the Effects of Soil Science Oxidation Assays on Soil Organic Matter Composition in a Mollic Xerofluvent. Applied Spectroscopy. 0 (0), 0003702817691776(2017).
  53. Rumpel, C., et al. Alteration of soil organic matter following treatment with hydrofluoric acid (HF). Organic Geochemistry. 37 (11), 1437-1451 (2006).
  54. Sanderman, J., et al. Is demineralization with dilute hydrofluoric acid a viable method for isolating mineral stabilized soil organic matter? Geoderma. 304 (Supplement C), 4-11 (2017).
  55. McClure, G. L. Computerized Quantitative Infrared Analysis. , American Society for Testing and Materials. 169-179 (1987).
  56. Joussein, E., et al. Halloysite clay minerals - a review. Clay Minerals. 40 (4), 383-426 (2005).
  57. Smith, B. C. Fundamentals of Fourier Transform Infrared Spectroscopy, Second Edition. , Taylor & Francis. (2011).
  58. Weis, D. D., Ewing, G. E. Absorption Anomalies in Ratio and Subtraction FT-IR Spectroscopy. Anal. Chem. 70, 3175(1998).
  59. Reeves, J. B. III, McCarty, G. W., Calderon, F., Hively, W. D. Managing Agricultural Greenhouse Gases. Franzluebbers, A. J., Follett, R. F. , Academic Press. 345-366 (2012).

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Nachdrucke und Genehmigungen

Genehmigung beantragen, um den Text oder die Abbildungen dieses JoVE-Artikels zu verwenden

Genehmigung beantragen

Schlagwörter

FTIR AnalyseMineralinterferenzSOM EntfernungSubtraktionsfaktorHochtemperaturveraschungchemische OxidationFTIR Spektrometer

Verwandte Artikel