Poprawa charakterystyki materii organicznej gleby za pomocą spektroskopii w podczerwieni za pomocą odejmowania spektralnego
10 stycznia 2019
SOM leży u podstaw wielu funkcji i procesów glebowych, ale jego charakterystyka za pomocą spektroskopii FTIR jest często kwestionowana przez zakłócenia mineralne. Opisana metoda może zwiększyć użyteczność analizy SOM za pomocą spektroskopii FTIR poprzez odejmowanie zakłóceń mineralnych w widmach glebowych za pomocą empirycznie uzyskanych widm referencyjnych minerałów.
Metoda ta może pomóc w poprawie charakterystyki materii organicznej i stałych matryc środowiskowych, takich jak gleby i osady. Główną zaletą tej techniki jest to, że może ona zmniejszyć zakłócenia mineralne w widmach glebowych, które ograniczają interpretację składnika materii organicznej gleby. Implikacje tej techniki rozciągają się na inne próbki środowiskowe zdominowane przez minerały, poza glebą, takie jak osady i minerały kopalne.
Ogólnie rzecz biorąc, osoby nowe w tej metodzie będą miały trudności z określeniem optymalnego współczynnika odejmowania. Ważne jest, aby pamiętać, że jest to operacyjnie zdeterminowane przez cele eksperymentalne. Należy o tym pamiętać podczas badania wartości współczynnika odejmowania.
Moje laboratorium prowadzi prace związane z odejmowaniem od około 10 lat, a głównym celem jest identyfikacja pasm absorbancji związanych z jakością węgla organicznego w glebie. Początkowo chcieliśmy zbadać rolę erozji wietrznej w usuwaniu różnych form węgla glebowego z gleb rolnych. Wizualna demonstracja tej metody jest pomocna, ponieważ pracochłonne etapy utleniania i regulacja współczynnika odejmowania wymagają pewnej praktyki przez działanie, która może być oparta na obserwacji, jak inni wykonują te procedury.
Najpierw przesiej glebę do mniej niż dwóch milimetrów za pomocą siatki ze stali nierdzewnej. Następnie dostosuj pH 6% podchlorynu sodu do 9,5, dodając kroplami jeden molowy kwas solny do roztworu, mieszając i mierząc za pomocą pH-metru. Dodać 25 ml podchlorynu sodu o pH 9,5 do 4 gramów przesianej gleby w stożkowej probówce o pojemności 50 ml i wymieszać przez sonikację.
Po sonikacji inkubować mieszaninę w łaźni wodnej o temperaturze 80 stopni Celsjusza przez 15 minut, aby zwiększyć szybkość utleniania. Odwirować mieszaninę do uzyskania klarownego supernatantu. Następnie ręcznie zdekantować supernatant do pojemnika na odpady.
Po ostatnim etapie utleniania dodaj do gleby 20 ml dejonizowanej wody i mieszaj przez pięć minut za pomocą poziomej wytrząsarki z prędkością 120 obr./min. Odwirować próbkę w temperaturze pokojowej przez 15 minut w temperaturze 4000 razy g. Za pomocą szpatułki i dejonizowanej wody z butelki do zraszania, w razie potrzeby, przenieś granulki gleby z dna probówki wirówkowej do plastikowej łodzi wagowej.
Następnie wysuszyć próbkę w piekarniku w temperaturze 60 stopni Celsjusza przez 48 godzin. Gdy próbka gleby jest sucha, należy określić ilościowo całkowitą zawartość węgla organicznego za pomocą chromatografii gazów spalinowych przy użyciu analizatora CN. W celu usunięcia SOM przez spalanie w wysokiej temperaturze, odmierz od jednego do dwóch gramów przesianej gleby do porcelanowego tygla za pomocą szpatułki.
Następnie podgrzewaj próbkę w temperaturze 550 stopni Celsjusza przez trzy godziny, używając pieca muflowego. Zmielić niepoddane obróbce i poddane obróbce próbki gleby do podobnej konsystencji przez mielenie ręczne. Następnie załaduj wcześniej zmieloną próbkę KBr do kubka na próbkę spektrometru FTIR.
Aby zebrać widmo tła, otwórz menu rozwijane eksperymentu i wybierz żądaną metodę zbierania eksperymentalnego w oprogramowaniu. Kliknij ikonę ustawień eksperymentalnych, aby wybrać parametry akwizycji spektralnej. Na karcie zbierania sprawdź, czy liczba skanów i rozdzielczość są odpowiednie dla celów eksperymentalnych.
Kliknij OK, aby zapisać zmiany. Następnie kliknij ikonę zbierania tła, aby zebrać widmo tła. Następnie wlej próbkę gleby do kubka na próbkę do punktu lekkiego przepełnienia, aby zapewnić równomierne obciążenie i zminimalizować chropowatość powierzchni.
Następnie wygładź powierzchnię gleby w kubku, używając płaskiej krawędzi, tak aby wysokość próbki gleby była zlicowana z krawędzią kubka. Aby zebrać widma próbek gleby niepoddanej działaniu środka i poddanej działaniu środka, kliknij przycisk Ustawienia eksperymentalne. Na karcie zbierania wybierz opcję użyj określonego pliku tła i załaduj plik widma tła.
Następnie kliknij OK, aby zapisać zmiany. Aby rozpocząć zbieranie spektralne na glebie, kliknij przycisk Zbierz próbkę. Aby wykonać odejmowanie spektralne, wyzeruj piki za pomocą opcji odejmowania w programie; w celu zmiany współczynnika odejmowania, zminimalizowania lub zmniejszenia docelowych pików minerałów i/lub maksymalizacji liniowej linii bazowej.
Jednocześnie wybierz widma gleby niepoddanej działaniu środka i poddanej obróbce, a następnie kliknij ikonę odejmowania. Pierwsze wybrane widmo gleby niepoddanej działaniu środka będzie widmem, od którego zostanie odjęte drugie widmo gleby poddanej działaniu środka. Użyj pionowego paska przełączania i strzałek, aby zwiększyć lub zmniejszyć współczynnik odejmowania.
Obserwuj zmiany w podglądanym widmie odejmowania. Na koniec kliknij przycisk Dodaj, aby załadować obliczone widmo odejmowania do okna. Typowe zmiany pasm mineralnych po spopielaniu w wysokiej temperaturze obejmują utratę pików OH oraz straty szczytowe i przesunięcia pików tlenu krzemowego w sieci i tlenu glinowego.
Gleba A straciła 89% węgla organicznego w glebie w wyniku utleniania podchlorynu sodu, w porównaniu z 97% w wyniku spopielania, przy zachowaniu właściwości absorbancji mineralnej zmienionych przez spopielenie. Wraz ze wzrostem współczynnika odejmowania zmniejsza się absorbancja pików odpowiadających minerałom, w szczególności tlenu OH i krzemu. Jednocześnie wzrasta absorbancja organicznych grup funkcyjnych, takich jak alifatyczny CH, amid CN i NH i/lub aromatyczny CC. Chociaż zerowanie tlenu krzemowego podobnego do kwarcu przy liczbie falowej od 2100 do 1780 osiąga się przy współczynniku odejmowania 0,76, wyraźna inwersja w kształcie litery W sugeruje, że interpretacja widma odejmowania powinna być ograniczona do liczby falowej większej niż 1200.
Zwiększenie alifatycznego rozciągnięcia CH poprzez nadmierne odjęcie mineralnego widma referencyjnego sprawia, że pozostałe widma stają się nieinterpretowalne, w tym region odpowiadający większości organicznych grup funkcyjnych, istotnych dla charakterystyki SOM. Dla danej metody usuwania SOM różnice są wizualnie widoczne między widmami odejmowania gleb o wysokiej i niskiej zawartości materii organicznej, które są mniej widoczne lub nieobecne w widmach gleby niepoddanej obróbce. Podejmując się tej procedury, należy pamiętać o przeprowadzaniu kontroli jakości, takich jak sprawdzanie ilości materii organicznej usuniętej określoną metodą i dla określonej próbki.
Ważne jest również, aby ocenić współczynnik odejmowania pod kątem przydatności do celów eksperymentalnych. Po tej procedurze można zastosować inne metody, takie jak magnetyczny rezonans jądrowy lub spektrometria mas, w celu uzyskania uzupełniających informacji na temat struktury materii organicznej gleby. Dzięki ciągłemu rozwojowi technika ta pomaga naukowcom z dziedziny gleboznawstwa, geochemii i sedymentologii w badaniu składu grup funkcjonalnych materii organicznej w próbkach zdominowanych przez minerały.
Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak usunąć materię organiczną z próbek gleby, aby uzyskać wzbogacone w minerały widmo referencyjne do odejmowania absorbancji minerałów. Nie zapominaj, że praca z utleniaczami, takimi jak podchloryn sodu, może być niebezpieczna. Podczas wykonywania tej procedury należy zawsze zachować środki ostrożności, takie jak środki ochrony osobistej.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Ta metoda może pomóc w poprawie charakterystyki materii organicznej oraz środowiskowych matryc stałych, takich jak gleby i osady. Główną zaletą tej techniki jest możliwość zredukowania interferencji mineralnych w widmach glebowych, które ograniczają interpretację komponentu materii organicznej w glebach.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Analiza materii organicznej gleby
- Spektroskopia FTIR
- Charakterystyka próbek środowiskowych
Wprowadzenie
- Próchnica glebowa (SOM) ma kluczowe znaczenie dla wielu funkcji gleby.
- Charakterystyka SOM za pomocą spektroskopii FTIR jest często utrudniona przez interferencje mineralne.
- Empiryczne widma referencyjne minerałów mogą być wykorzystane do usprawnienia analizy.
- Technika ta ma zastosowanie w przypadku innych próbek środowiskowych zdominowanych przez minerały.
Cel badania
- W celu zwiększenia użyteczności analizy SOM z wykorzystaniem spektroskopii FTIR.
- Aby dostarczyć metodę odejmowania interferencji mineralnych w widmach glebowych.
- W celu ułatwienia lepszej interpretacji materii organicznej w glebach i osadach.
Zastosowane metody
- Spektroskopia FTIR w analizie gleby.
- Wykorzystanie empirycznie uzyskanych widm referencyjnych minerałów.
- Wyznaczanie optymalnych czynników odejmowania w zależności od celów eksperymentalnych.
- Zastosowanie metody do różnych próbek środowiskowych.
Główne wyniki
- Metoda ta skutecznie redukuje interferencje mineralne w widmach gleb.
- Ulepszona charakterystyka składników materii organicznej w glebach.
- Potencjalna możliwość zastosowania w przypadku osadów i minerałów kopalnych.
- Wskazówki dla użytkowników dotyczące wyznaczania optymalnych czynników odejmowania.
Wnioski
- Technika ta usprawnia analizę organicznej materii glebowej.
- Zapewnia ona ramy dla rozwiązywania problemu interferencji mineralnych.
- Metoda ta jest cenna dla badaczy analizujących różne matryce środowiskowe.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
W badaniach i rozwoju (B&R) w farmacji i biotechnologii dokładna charakterystyka złożonych matryc jest niezbędna dla walidacji celów oraz opracowywania testów. Techniki odejmowania spektralnego, które redukują interferencje matrycy, umożliwiają wyraźniejszą detekcję związków biologicznie czynnych lub biomarkerów w próbkach pochodzenia środowiskowego. Podejście to wspiera minimalizację ryzyka mechanistycznego poprzez poprawę jakości danych w wczesnych etapach procesów odkrywania, obejmujących przesiewy produktów naturalnych lub analizę formulacji.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie organicznych grup funkcyjnych w złożonych matrycach poprzez redukcję zakłócających sygnałów mineralnych.
- Wartość operacyjna: Wspiera powtarzalne przygotowanie próbek w celu zapewnienia spójnego przesiewania bibliotek produktów naturalnych metodą FTIR.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Pozwala na uzyskanie widm różnicowych o zwiększonej rozdzielczości pasm alifatycznych CH, amidowych CN/NH oraz aromatycznych CC, istotnych dla detekcji analitytów organicznych.
- Wartość operacyjna: Ułatwia standaryzację generowania widm referencyjnych poprzez utlenianie chemiczne lub popielanie w wysokiej temperaturze w celu zapewnienia powtarzalności analizy.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Poprawia wiarygodność charakterystyki materii organicznej w modelach gleb/osadów stosowanych do badania biodostępności zanieczyszczeń lub metabolizmu mikrobowego.
- Wartość operacyjna: Umożliwia odtwarzalność międzylaboratoryjną dzięki udokumentowanym protokołom usuwania SOM oraz optymalizacji czynnika odejmowania.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta znajduje zastosowanie w początkowych etapach procesów odkrywania, w których interferencje macierzy maskują sygnały analityczne, szczególnie w mikrobiologii środowiskowej lub podczas izolacji produktów naturalnych. Poprawia ona gotowość do skreeningu poprzez uzyskanie czystszych danych spektralnych do dalszych porównań i kurateli bibliotek.
- Biologia odkrywcza: Zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną danych FTIR poprzez oddzielenie wzorców absorbancji organicznej od tła mineralnego.
- Przesiewanie: Poprawia przygotowanie do analizy dzięki powtarzalnemu generowaniu widm referencyjnych minerałów za pomocą zwalidowanych metod usuwania SOM.
- Analityka: Umożliwia ilościowe porównanie sygnałów grup funkcyjnych związków organicznych poprzez widma różnicowe z korekcją linii bazowej.
- Badania translacyjne: Wspiera ciągłość od pobierania próbek środowiskowych po ocenę przedkliniczną, poprawiając interpretowalność danych w złożonych matrycach.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia powtarzalny protokół korekcji widmowej, który można zastosować w różnych typach próbek bogatych w minerały w programach odkrywczych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w identyfikacji związków organicznych poprzez minimalizację wyników fałszywie dodatnich wynikających z nakładania się sygnałów mineralnych.
- Wartość operacyjna: Poprawia powtarzalność i skalowalność procesów FTIR dzięki standaryzacji wyznaczania czynnika odejmowania.
- Wartość strategiczna: Wspiera trafniejsze decyzje o kontynuowaniu lub przerwaniu badań w fazie wstępnego przesiewu poprzez poprawę wierności danych i redukcję szumu analitycznego.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację trafień z bibliotek produktów naturalnych lub ekstraktów środowiskowych z uwzględnieniem analizy ryzyka.
Uwagi dotyczące implementacji
- Wymaga wiedzy specjalistycznej z zakresu spektroskopii FTIR oraz oprogramowania do przetwarzania danych widmowych.
- Wymaga dostępu do aparatury do sonikacji, wirowania, suszenia w piecu oraz analizy CN.
- Wymaga standaryzacji metod usuwania SOM (np. utlenianie podchlorynem sodu w porównaniu z popielaniem) w ramach zespołów badawczych, aby zapewnić spójność widm referencyjnych.
- Wiąże się z koniecznością dostosowania metody przy stosowaniu jej do różnych typów gleb lub matryc środowiskowych o odmiennych składach mineralnych.
- Obejmuje ograniczenia praktyczne, takie jak potencjalne artefakty absorbancji wynikające z nadmiernego odejmowania tła lub niepełnego usunięcia SOM, które muszą zostać ilościowo określone, aby uniknąć błędnej interpretacji.
