Verbetering van infrarood spectroscopie karakterisering van organisch bodemmateriaal met spectrale aftrekken
10 januari 2019
SOM ten grondslag ligt aan veel bodemfuncties en processen, maar haar karakterisering met FTIR Infraroodspectroscopie wordt vaak uitgedaagd door minerale storingen. De beschreven methode kunt vergroten het nut van SOM analyse door FTIR spectroscopie door storingen van de mineralen in de bodem spectra met behulp van empirisch verkregen minerale referentie spectra af te trekken.
Deze methode kan helpen bij het verbeteren van de karakterisering van organische stof en milieuvaste matrices, zoals bodems en sedimenten. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het minerale interferenties in bodemspectra kan verminderen die interpretatie van de organische stofcomponent van bodems beperken. De implicaties van deze techniek gaan uit naar andere milieumonsters die worden gedomineerd door mineralen, voorbij bodems, zoals sedimenten en fossiele mineralen.
Over het algemeen, individuen nieuw op deze methode zal worstelen met het bepalen van een optimale aftrekking factor. Het is belangrijk om in gedachten te houden dat dit operationeel wordt bepaald door uw experimentele doelen. Houd deze geest bij het verkennen van aftrekken factorwaarden.
Mijn laboratorium doet al ongeveer 10 jaar aftrekkend werk, met als belangrijkste doel het identificeren van absorptiebanden in verband met de organische koolstofkwaliteit van de bodem. Oorspronkelijk wilden we de rol van winderosie onderzoeken bij het verwijderen van verschillende vormen van bodemkoolstof uit landbouwgronden. Visuele demonstratie van deze methode is nuttig omdat de arbeidsintensieve oxidatiestappen en aanpassing van de aftrekkingsfactor enige oefening vereist door te doen, die kan worden geïnformeerd door te kijken hoe anderen deze procedures uitvoeren.
Ten eerste, zeef grond tot minder dan twee millimeter, met behulp van een roestvrij stalen gaas. Pas hierna de pH van 6% natriumhypochloriet aan op 9,5, door één molair zoutzuur druppelgewijs aan de oplossing toe te voegen, terwijl u mengt en meet met een pH-meter. Voeg 25 mL pH 9,5 natriumhypochloriet toe aan 4 gram van de gezeefde grond in een conische buis van 50 mL en meng door sonicatie.
Na sonicatie, incubeer het mengsel in een 80 graden Celsius waterbad gedurende 15 minuten, om de oxidatie snelheid te verhogen. Centrifugeren het mengsel om een duidelijke supernatant te verkrijgen. Decanteer vervolgens handmatig de supernatant in een afvalcontainer.
Voeg na de laatste oxidatiestap 20 mL gedeïmiseerd water toe aan de bodem en meng gedurende vijf minuten met behulp van een horizontale shaker bij 120 RPM. Centrifugeren het monster bij kamertemperatuur gedurende 15 minuten op 4000 keer g. Met behulp van een spatel en gedeïoniseerd water uit een spuitfles als dat nodig is, breng de bodem pellet van de bodem van de centrifuge buis naar een plastic weegboot.
Vervolgens droog de oven het monster op 60 graden Celsius gedurende 48 uur. Zodra het bodemmonster droog is, kwantificeren totale organische koolstofgehalte door verbranding gas chromatografie, met behulp van een CN analyzer. Voor SOM verwijdering door hoge temperatuur verbranding, meet een tot twee gram gezeefde grond in een porseleinen smeltkroes, met behulp van een spatel.
Verwarm vervolgens het monster drie uur lang op 550 graden Celsius met behulp van een dempoven. Maal onbehandelde en behandelde bodemmonsters tot een vergelijkbare consistentie door handen te slijpen. Laad hierna een eerder geaard KBr-monster in de monsterbeker van een FTIR-spectrometer.
Als u een achtergrondspectrum wilt verzamelen, opent u het vervolgkeuzemenu voor experiment en selecteert u de gewenste experimentele verzamelingsmethode in de software. Klik op het experimenteel instellingspictogram om spectrale acquisitieparameters te selecteren. Controleer onder het tabblad verzamelen of het aantal scans en resolutie geschikt is voor experimentele doelstellingen.
Klik op oke om wijzigingen op te slaan. Klik vervolgens op het pictogram Achtergrond verzamelen om een achtergrondspectrum te verzamelen. Giet vervolgens het bodemmonster in de monsterbeker tot het punt van iets overvulling, om consistente belasting te garanderen en de ruwheid van het oppervlak te minimaliseren.
Dan, oppervlak glad de bodem in de beker, met behulp van een vlakke rand, zodanig dat de hoogte van de bodem monster is gelijk met de lip van de beker. Klik op experimentele setup om spectra van de onbehandelde en behandelde bodemmonsters te verzamelen. Selecteer onder het tabblad verzamelen het opgegeven achtergrondbestand gebruiken en laad het achtergrondspectrumbestand.
Klik vervolgens op oke om wijzigingen op te slaan. Klik om te beginnen met spectrale inzameling op de grond, klik op monster verzamelen. Om spectrale aftrekkingen uit te voeren, nul uit pieken met behulp van de aftrekking optie van het softwareprogramma;om de aftrekken factor te veranderen, te minimaliseren of te verminderen doel minerale pieken, en / of om de lineaire basislijn te maximaliseren.
Selecteer tegelijkertijd de onbehandelde en behandelde bodemspectra en klik op het pictogram aftrekken. Het eerste onbehandelde bodemspectrum dat wordt geselecteerd, is het spectrum waaruit het tweede behandelde bodemspectrum wordt afgetrokken. Gebruik de verticale schakelbalk en pijlen om de aftrekkende factor te verhogen of te verlagen.
Let op de wijzigingen in het voorbeeld van aftrekken. Klik tot slot op Toevoegen om het berekende aftrekkende spectrum in een venster te laden. Veel voorkomende veranderingen van minerale banden na hoge temperatuur ashing, omvatten verlies van OH pieken en piekverliezen en verschuivingen in rooster silicium zuurstof en aluminium zuurstof pieken.
Bodem A verloor 89% van de bodem organische koolstof door natriumhypochloriet oxidatie, vergeleken met 97%door ashing, met behoud van minerale absorptie functies veranderd door ashing. Naarmate de aftrekkende factor toeneemt, neemt de absorptie van pieken die overeenkomen met mineralen af, met name OH en siliciumzuurstof. Tegelijkertijd neemt de absorptie toe voor organische functionele groepen, zoals aliphatic CH, amide CN en NH, en/of aromatische CC.Hoewel zeroing uit kwarts-achtige siliciumzuurstof bij 2100 tot 1780 Golfnummer wordt bereikt met een aftrekkende factor van 0,76, een prominente W-vormige omkering suggereert dat de interpretatie van het aftrekkende spectrum moet worden beperkt tot meer dan 1200 Wavenumber.
Het verbeteren van de aliphatic CH stretch door het minerale referentiespectrum te overtrekken, maakt de resterende spectra oninterpreteerbaar, met inbegrip van de regio die overeenkomt met de meerderheid van de organische functionele groepen, relevant voor SOM karakterisering. Voor een bepaalde methode van SOM verwijdering, verschillen zijn visueel duidelijk tussen de aftrekken spectra van hoge en lage organische stof bodems die minder zichtbaar of afwezig in de onbehandelde bodem spectra. Tijdens het proberen van deze procedure is het belangrijk om te onthouden om kwaliteitscontroles uit te voeren, zoals het controleren van de hoeveelheid organisch materiaal die met een bepaalde methode is verwijderd en voor een specifiek monster.
Het is ook belangrijk om de aftrekkende factor voor geschiktheid voor de experimentele doelstellingen te evalueren. Na deze procedure kunnen andere methoden, zoals nucleaire magnetische resonantie of massaspectrometrie, worden uitgevoerd om aanvullende informatie te verstrekken over de structuur van organische stoffen in de bodem. Met zijn voortdurende ontwikkeling helpt deze techniek onderzoekers op het gebied van bodemwetenschap, geochemie en sedimentologie om de functionele groepssamenstelling van organisch materiaal in door mineralen gedomineerde monsters te verkennen.
Na het bekijken van deze video, moet u een goed begrip over hoe organisch materiaal te verwijderen uit de bodem monsters, om een mineraal verrijkt referentiespectrum te produceren voor het uitvoeren van aftrekking van minerale absorptie. Vergeet niet dat het werken met oxidanten, zoals natriumhypochloriet, gevaarlijk kan zijn. Voorzorgsmaatregelen, zoals persoonlijke beschermingsmiddelen, moeten altijd worden genomen tijdens het uitvoeren van deze procedure.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze methode kan helpen bij het verbeteren van de karakterisering van organische stof en vaste milieumatrices, zoals bodems en sedimenten. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het minerale interferenties in bodemspectra kan verminderen die de interpretatie van het organische stofcomponent van bodems beperken.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk gebied
- Analyse van organische stof in de bodem
- FTIR-spectroscopie
- Karakterisering van milieusamples
Achtergrond
- Organische stof in de bodem (SOM) is cruciaal voor veel bodemfuncties.
- De karakterisering van SOM via FTIR-spectroscopie wordt vaak belemmerd door minerale interferenties.
- Empirische referentiespectra van mineralen kunnen worden gebruikt om de analyse te verbeteren.
- Deze techniek heeft implicaties voor andere milieu-monsters waarin mineralen overheersen.
Doel van de studie
- Om het nut van SOM-analyse met FTIR-spectroscopie te vergroten.
- Om een methode te bieden voor het aftrekken van minerale interferenties in bodemspectra.
- Om een betere interpretatie van organische stof in bodems en sedimenten te faciliteren.
Gebruikte methoden
- FTIR-spectroscopie voor bodemanalyse.
- Gebruik van empirisch verkregen minerale referentiespectra.
- Bepaling van optimale subtractiefactoren op basis van experimentele doelen.
- Toepassing van de methode op diverse milieuproeven.
Belangrijkste resultaten
- De methode vermindert effectief minerale interferenties in bodemspectra.
- Verbeterde karakterisering van organische stofcomponenten in bodems.
- Potentiële toepasbaarheid op sedimenten en fossiele mineralen.
- Richtlijnen voor gebruikers bij het bepalen van optimale subtractiefactoren.
Conclusies
- Deze techniek verbetert de analyse van organische stof in de bodem.
- Het biedt een kader voor het aanpakken van minerale interferenties.
- De methode is waardevol voor onderzoekers die diverse milieumatrices bestuderen.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Management
In farmaceutisch en biotechnologisch onderzoek en ontwikkeling is een nauwkeurige karakterisering van complexe matrices essentieel voor targetvalidatie en assayontwikkeling. Technieken voor spectrale subtractie die matrixinterferentie verminderen, maken een duidelijkere detectie van bioactieve verbindingen of biomarkers in monsters van milieuhervorming mogelijk. Deze benadering ondersteunt mechanische risicovermindering door de datakwaliteit te verbeteren in vroege ontdekkingsworkflows waarbij screening van natuurproducten of formulatieanalyse betrokken is.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt onderzoek naar organische functionele groepen in complexe matrices mogelijk door storende mineralsignalen te verminderen.
- Operationele waarde: Ondersteunt reproduceerbare monstervoorbereiding voor consistente FTIR-gebaseerde screening van natuurproductenbibliotheken.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Produceert subtractiespectra met verbeterde resolutie van alifatische CH-, amide CN/NH- en aromatische CC-banden die relevant zijn voor de detectie van organische analyten.
- Operationele waarde: Faciliteert de standaardisatie van de generatie van referentiespectra via chemische oxidatie of asbehandeling bij hoge temperaturen voor de robuustheid van de assay.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Verbetert de betrouwbaarheid van de karakterisering van organische stof in bodem-/sedimentmodellen die worden gebruikt voor het bestuderen van de biobeschikbaarheid van verontreinigingen of het microbiële metabolisme.
- Operationele waarde: Maakt reproduceerbaarheid tussen laboratoria mogelijk door gedocumenteerde protocollen voor de verwijdering van SOM en optimalisatie van de aftrekkingsfactor.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode past binnen vroege ontdekkingsworkflows waarbij matrixinterferentie analytensignalen maskeert, in het bijzonder bij omgevingsmicrobiologie of de isolatie van natuurproducten. Het verbetert de screeningbereidheid door schonere spectrale gegevens te produceren voor downstream vergelijking en bibliotheekcuratie.
- Discovery Biology: Vermindert mechanische ambiguïteit in FTIR-gegevens door organische absorptiepatronen te isoleren van de minerale achtergrond.
- Screening: Verbetert de assay-paraatheid door middel van reproduceerbare generatie van minerale referentiespectra via gevalideerde methoden voor de verwijdering van SOM.
- Analytics: Maakt kwantitatieve vergelijking van signalen van organische functionele groepen mogelijk via baseline-gecorrigeerde subtractiespectra.
- Translationeel onderzoek: Ondersteunt de continuïteit van milieumonstername tot preklinische evaluatie door de interpreteerbaarheid van gegevens in complexe matrices te verbeteren.
- Enterprise Reuse: Vestigt een herbruikbaar protocol voor spectrale correctie dat toepasbaar is op verschillende mineraalrijke monstertypes in discovery-programma's.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellend vertrouwen bij de identificatie van organische verbindingen door het minimaliseren van fout-positieven door overlap met mineralen.
- Operationele waarde: Verbetert de reproduceerbaarheid en schaalbaarheid van FTIR-workflows door middel van gestandaardiseerde bepaling van de subtractiefactor.
- Strategische waarde: Ondersteunt betere go/no-go-beslissingen bij vroege screening door de getrouwheid van gegevens te verbeteren en analytische ruis te verminderen.
- Portfolio-impact: Maakt risicobewuste prioritering van hits uit bibliotheken van natuurproducten of milieuextracten mogelijk.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in FTIR-spectroscopie en software voor spectrale gegevensverwerking.
- Vereist toegang tot instrumentatie voor sonicatie, centrifugatie, oven-droging en CN-analyse.
- Vereist standaardisatie van SOM-verwijderingsmethoden (bijv. natriumhypochlorietoxidatie versus asen) over teams heen om de consistentie van het referentiespectrum te waarborgen.
- Houdt rekening met aanpassingen bij het toepassen van de methode op verschillende bodemtypes of milieumatrices met uiteenlopende minerale composities.
- Omvat praktische beperkingen, zoals potentiële absorbantie-artefacten door overmatige subtractie of onvolledige SOM-verwijdering, die gekwantificeerd moeten worden om bevooroordeelde interpretatie te voorkomen.
