Migliorare la caratterizzazione spettroscopia infrarossa di materia organica del suolo con sottrazioni spettrale
10 gennaio 2019
SOM è alla base di molti processi e funzioni del suolo, ma sua caratterizzazione mediante spettroscopia FTIR è spesso contestata dal minerale interferenze. Il metodo descritto può aumentare l'utilità dell'analisi SOM spettroscopia FTIR sottraendo gli spettri di riferimento minerale minerale interferenze negli spettri di terreno utilizzando empiricamente ottenute.
Questo metodo può aiutare a migliorare la caratterizzazione della materia organica e delle matrici solide ambientali, come suoli e sedimenti. Il principale vantaggio di questa tecnica è che può ridurre le interferenze minerali negli spettri del suolo che limitano l'interpretazione della componente di materia organica dei suoli. Le implicazioni di questa tecnica si estendono ad altri campioni ambientali dominati da minerali, oltre i suoli, come sedimenti e minerali fossili.
Generalmente, gli individui nuovi a questo metodo avranno difficoltà a determinare un fattore di sottrazione ottimale. È importante tenere presente che questo è determinato operativamente dai tuoi obiettivi sperimentali. Tenere presente questa mente quando si esplorano i valori del fattore di sottrazione.
Il mio laboratorio fa lavori di sottrazione ormai da circa 10 anni, con l'obiettivo principale di identificare le bande di assorbanza associate alla qualità del carbonio organico del suolo. Originariamente, volevamo studiare il ruolo dell'erosione eolica sulla rimozione di diverse forme di carbonio del suolo dai suoli agricoli. La dimostrazione visiva di questo metodo è utile perché i passaggi di ossidazione ad alta intensità di lavoro e la regolazione del fattore di sottrazione richiedono una certa pratica facendo, che può essere informata osservando come gli altri eseguono queste procedure.
In primo luogo, setacciare il terreno a meno di due millimetri, utilizzando una rete in acciaio inossidabile. In seguito, regolare il pH del 6% di ipoclorito di sodio a 9,5, aggiungendo un molare per quanto riguarda l'acido cloridrico alla soluzione, mescolando e misurando con un misuratore di pH. Aggiungere 25 ml di ipoclorito di sodio 9,5 pH a 4 grammi del terreno setacciato in un tubo conico da 50 ml e mescolare per sonicazione.
Dopo la sonicazione, incubare la miscela in un bagno d'acqua di 80 gradi Celsius per 15 minuti, per aumentare il tasso di ossidazione. Centrifugare la miscela per ottenere un supernatante chiaro. Quindi decantare manualmente il supernatante in un contenitore di rifiuti.
Dopo l'ultima fase di ossidazione, aggiungere 20 mL di acqua deionizzata al terreno e mescolare per cinque minuti utilizzando uno shaker orizzontale a 120 giri/min. Centrifugare il campione a temperatura ambiente per 15 minuti a 4000 volte g. Utilizzando una spatola e acqua deionizzata da una bottiglia di schizzi in base alle esigenze, trasferire il pellet di terreno dal fondo del tubo di centrifuga a una barca di pesata di plastica.
Quindi, asciugare il campione a 60 gradi Celsius per 48 ore. Una volta che il campione di suolo è asciutto, quantificare il contenuto totale di carbonio organico mediante gascromatografia a combustione, utilizzando un analizzatore CN. Per la rimozione del SOM mediante combustione ad alta temperatura, misurare da uno a due grammi di terreno setacciato in un crogiolo di porcellana, utilizzando una spatola.
Quindi, riscaldare il campione a 550 gradi Celsius per tre ore, utilizzando un forno a marmitta. Macinare campioni di terreno non trattati e trattati con una consistenza simile mediante macinazione a mano. In seguito, caricare un campione KBr precedentemente macinato nella tazza campione di uno spettrometro FTIR.
Per raccogliere uno spettro di sfondo, aprire il menu a discesa per l'esperimento e selezionare il metodo di raccolta sperimentale desiderato nel software. Fate clic sull'icona di configurazione sperimentale per selezionare i parametri di acquisizione spettrale. Nella scheda raccogli verificare che il numero di scansioni e risoluzione sia appropriato per gli obiettivi sperimentali.
Fare clic su OK per salvare le modifiche. Quindi, fai clic sull'icona raccogli sfondo per raccogliere uno spettro di sfondo. Quindi, versare il campione di terreno nella tazza del campione fino al punto di un riempimento leggermente eccessivo, per garantire un carico costante e ridurre al minimo la rugosità superficiale.
Quindi, la superficie leviga il terreno nella tazza, usando un bordo piatto, in modo che l'altezza del campione di terreno sia a filo con il labbro della tazza. Per raccogliere gli spettri dei campioni di terreno non trattati e trattati, fare clic su configurazione sperimentale. Nella scheda Raccogli selezionare Usa file di sfondo specificato e caricare il file dello spettro di sfondo.
Quindi, fare clic su OK per salvare le modifiche. Per iniziare la raccolta spettrale sul terreno, fare clic su raccogli campione. Per eseguire sottrazioni spettrali, azzerare i picchi utilizzando l'opzione di sottrazione del programma software;per modificare il fattore di sottrazione, per ridurre al minimo o ridurre i picchi minerali target e/o per massimizzare la linea di base lineare.
Selezionare contemporaneamente gli spettri di terreno non trattati e trattati e fare clic sull'icona sottrai. Il primo spettro del suolo non trattato selezionato, sarà lo spettro da cui verrà sottratto il secondo spettro del suolo trattato. Utilizzare la barra di attivazione/disattivazione verticale e le frecce per aumentare o diminuire il fattore di sottrazione.
Osservare le modifiche nello spettro di sottrazione visualizzato in anteprima. Infine, fare clic su aggiungi per caricare lo spettro di sottrazione calcolato in una finestra. I cambiamenti comuni delle bande minerali a seguito dell'ashing ad alta temperatura, includono la perdita di picchi OH e perdite di picco e spostamenti nei picchi di ossigeno al silicio reticolare e alluminio.
Il suolo A ha perso l'89% del carbonio organico del suolo a causa dell'ossidazione dell'ipoclorito di sodio, rispetto al 97% per ashing, preservando al contempo le caratteristiche di assorbanza minerale alterate dall'ashing. Con l'aumentare del fattore di sottrazione, l'assorbanza dei picchi corrispondenti ai minerali diminuisce, in particolare, OH e ossigeno al silicio. Contemporaneamente, l'assorbanza aumenta per i gruppi funzionali organici, come l'alifatico CH, l'ammide CN e l'NH e/o il CC aromatico.Sebbene l'azzeramento dell'ossigeno al silicio simile al quarzo a 2100-1780 Wavenumber sia ottenuto con un fattore di sottrazione di 0,76, un'inversione prominente a forma di W suggerisce che l'interpretazione dello spettro di sottrazione dovrebbe essere limitata a più di 1200 Wavenumber.
Potenziando l'allungamento CH alifatico sottraendo estraggono empaticamente lo spettro di riferimento minerale, gli spettri rimanenti non sono interpretabili, compresa la regione corrispondente alla maggior parte dei gruppi funzionali organici, rilevante per la caratterizzazione SOM. Per un dato metodo di rimozione som, le differenze sono visivamente evidenti tra gli spettri di sottrazione di terreni di materia organica alta e bassa che sono meno visibili o assenti negli spettri del suolo non trattati. Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordare di eseguire controlli di qualità, ad esempio controllando la quantità di materia organica rimossa da un particolare metodo e per un campione specifico.
È anche importante valutare il fattore di sottrazione per l'idoneità agli obiettivi sperimentali. Seguendo questa procedura, altri metodi, come la risonanza magnetica nucleare o la spettrometria di massa, possono essere eseguiti al fine di fornire informazioni complementari sulla struttura della materia organica del suolo. Con il suo continuo sviluppo, questa tecnica sta aiutando i ricercatori nei campi della scienza del suolo, della geochimica e della sedimentologia, ad esplorare la composizione funzionale di gruppo della materia organica in campioni dominati dai minerali.
Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione su come rimuovere la materia organica dai campioni di terreno, per produrre uno spettro di riferimento arricchito di minerali per eseguire la sottrazione di assorbanze minerali. Non dimenticare che lavorare con ossidanti, come l'ipoclorito di sodio, può essere pericoloso. Precauzioni come i dispositivi di protezione individuale, devono sempre essere prese durante l'esecuzione di questa procedura.
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Panoramica
Questo metodo può contribuire a migliorare la caratterizzazione della materia organica e delle matrici solide ambientali, come suoli e sedimenti. Il principale vantaggio di questa tecnica è che può ridurre le interferenze minerali negli spettri del suolo che limitano l'interpretazione della componente di materia organica nei suoli.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Analisi della materia organica del suolo
- Spettroscopia FTIR
- Caratterizzazione di campioni ambientali
Sfondo
- La materia organica del suolo (SOM) è fondamentale per numerose funzioni del suolo.
- La caratterizzazione della SOM mediante spettroscopia FTIR è spesso ostacolata da interferenze minerali.
- Spettri di riferimento empirici di minerali possono essere utilizzati per migliorare l'analisi.
- Questa tecnica ha implicazioni per altri campioni ambientali dominati da minerali.
Scopo dello studio
- Migliorare l'utilizzo dell'analisi SOM mediante spettroscopia FTIR.
- Fornire un metodo per sottrarre le interferenze minerali negli spettri del suolo.
- Facilitare una migliore interpretazione della materia organica nei suoli e nei sedimenti.
Metodi Utilizzati
- Spettroscopia FTIR per l'analisi del suolo.
- Utilizzo di spettri di riferimento empirici di minerali.
- Determinazione dei fattori ottimali di sottrazione in base agli obiettivi sperimentali.
- Applicazione del metodo a diversi campioni ambientali.
Risultati principali
- Il metodo riduce efficacemente le interferenze minerali negli spettri del suolo.
- Migliorata caratterizzazione dei componenti della materia organica nei suoli.
- Potenziale applicabilità ai sedimenti e ai minerali fossili.
- Indicazioni per la determinazione dei fattori di sottrazione ottimali da parte degli utenti.
Conclusioni
- Questa tecnica migliora l'analisi della materia organica del suolo.
- Fornisce un quadro per affrontare le interferenze minerali.
- Il metodo è utile per i ricercatori che studiano diverse matrici ambientali.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Nella ricerca e sviluppo farmaceutica e biotecnologica, una caratterizzazione accurata di matrici complesse è essenziale per la validazione degli obiettivi terapeutici e lo sviluppo di saggi. Tecniche di sottrazione spettrale che riducono l'interferenza della matrice consentono una rilevazione più chiara di composti bioattivi o biomarcatori in campioni di origine ambientale. Questo approccio supporta la riduzione del rischio meccanicistico migliorando la qualità dei dati nei flussi di lavoro iniziali di scoperta che coinvolgono lo screening di prodotti naturali o l'analisi di formulazioni.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Consente l'analisi dei gruppi funzionali organici in matrici complesse riducendo i segnali interferenti di origine minerale.
- Valore operativo: Favorisce una preparazione riproducibile dei campioni per schermature basate su FTIR consistenti di librerie di prodotti naturali.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Produce spettri di sottrazione con risoluzione migliorata delle bande CH alifatiche, CN/NH delle ammidi e CC aromatiche rilevanti per il rilevamento di analiti organici.
- Valore operativo: Facilita la standardizzazione della generazione di spettri di riferimento mediante ossidazione chimica o incenerimento ad alta temperatura per garantire robustezza al saggio.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Migliora l'affidabilità della caratterizzazione della materia organica nei modelli di suolo/sedimento utilizzati per lo studio della biodisponibilità degli inquinanti o del metabolismo microbico.
- Valore operativo: Consente la riproducibilità tra laboratori attraverso protocolli documentati per la rimozione della materia organica del suolo (SOM) e l'ottimizzazione del fattore di sottrazione.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si inserisce nei flussi di lavoro delle prime fasi di scoperta, in cui l'interferenza della matrice oscura i segnali dell'analita, in particolare nella microbiologia ambientale o nell'isolamento di prodotti naturali. Migliora la prontezza per lo screening producendo dati spettrali più puliti, utili per il confronto successivo e per la cura delle librerie.
- Biologia della scoperta: Riduce l'ambiguità meccanicistica nei dati FTIR isolando i pattern di assorbimento organici dal fondo minerale.
- Screening: Migliora la prontezza del saggio attraverso la generazione riproducibile di spettri di riferimento minerali mediante metodi validati di rimozione del materiale organico stabile (SOM).
- Analisi: Consente il confronto quantitativo dei segnali dei gruppi funzionali organici tramite spettri di sottrazione corretti per la baseline.
- Ricerca traslazionale: Favorisce la continuità dal campionamento ambientale alla valutazione preclinica migliorando l'interpretabilità dei dati in matrici complesse.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce un protocollo di correzione spettrale riutilizzabile, applicabile a tipologie di campioni ricchi di minerali nei programmi di scoperta.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva nell'identificazione di composti organici riducendo al minimo i falsi positivi derivanti dalla sovrapposizione minerale.
- Valore operativo: Migliora la riproducibilità e la scalabilità dei flussi di lavoro FTIR attraverso la determinazione standardizzata del fattore di sottrazione.
- Valore strategico: Supporta decisioni più accurate di tipo go/no-go nel pre-screening grazie al miglioramento della fedeltà dei dati e alla riduzione del rumore analitico.
- Impatto sul portafoglio: Permette una priorizzazione consapevole del rischio dei risultati positivi provenienti da librerie di prodotti naturali o estratti ambientali.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specialistiche in spettroscopia FTIR e nell'uso di software per l'elaborazione dei dati spettrali.
- Necessita l'accesso a strumentazione per sonificazione, centrifugazione, essiccazione in stufa e analisi di C/N.
- Richiede una standardizzazione condivisa tra i gruppi di lavoro nei metodi di rimozione della sostanza organica del suolo (SOM) (ad esempio, ossidazione con ipoclorito di sodio rispetto ad incenerimento) per garantire la coerenza degli spettri di riferimento.
- Comporta la necessità di adattamenti quando si applica il metodo a tipi di suolo diversi o a matrici ambientali con composizioni mineralogiche differenti.
- Presenta limitazioni pratiche, come possibili artefatti di assorbanza dovuti a sottrazione eccessiva o rimozione incompleta della SOM, che devono essere quantificati per evitare interpretazioni distorte.
