Name: Poprawa charakterystyki materii organicznej gleby za pomocą spektroskopii w podczerwieni za pomocą odejmowania spektralnego (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-01-10T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 57 s
Description: Poznaj metodę spektroskopii FTIR do analizy materii organicznej gleby z wykorzystaniem odejmowania spektralnego. Technika ta redukuje zakłócenia mineralne, poprawiając interpretację składu organicznego w próbkach środowiskowych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Doceniamy wskazówki od dr Randy'ego Southarda na temat utleniania NaOCl i różne dyskusje na temat odejmowania widmowego z dr Fungai F.N.D. Mukome.

1. Przygotowanie gleby do niepoddanej działaniu spektroskopii DRIFT i usunięcia SOM
<ol>
	<li>Przesiać glebę do < 2 mm za pomocą siatki ze stali nierdzewnej ("frakcja drobnoziemna"). 
	UWAGA: W tej demonstracji wykorzystano dwie gleby o podobnej teksturze, ale prawie 3-krotnej różnicy w całkowitej zawartości SOM (Tabela 1).</li>
</ol>
2. Usuwanie SOM przez utlenianie chemiczne: Przykład NaOCl
<ol>
	<li>Dostosuj pH 6% w/v NaOCl do pH 9,5, dodając kroplami 1 M HCl do roztworu, mieszając i mierząc za pomocą pH-metru. 
	UWAGA: Większość dostępnych na rynku wybielaczy (np. Clorox) jest odpowiednia pod względem jakości i stężenia (zwykle 3-7% NaOCl v/v), ale będzie miała pH > 12. Ponieważ utlenianie NaOCl materii organicznej jest zależne od pH, a pH 9,5 jest zalecane do jego stosowania z próbkami gleby19,23, konieczne jest dostosowanie pH większości dostępnych na rynku wybielaczy.</li>
	<li>Dodać 25 ml NaOCl (6% w/v, pH 9,5) do 4 g gleby (przesianej, suszonej na powietrzu) w stożkowej probówce o pojemności 50 ml i wymieszać przez sonikację (600 s, częstotliwość wyjściowa 20 kHz, moc 200 W).</li>
	<li>Inkubować mieszaninę w gorącej łaźni wodnej (15 min, 80 °C) w celu zwiększenia szybkości utleniania.</li>
	<li>Odwirować w celu uzyskania klarownego supernatantu (np. 15 minut w temperaturze 4 000 × g dla gleb o grubej teksturze; temperatura pokojowa). Ręcznie zdekantować supernatant do pojemnika na odpady. 
	UWAGA: Stężenie NaOCl w supernatancie (ostrożnie zakładając brak utleniania, a tym samym brak zużycia NaOCl) jest takie samo jak dostępny na rynku wybielacz do użytku domowego. Gleby o drobniejszej teksturze mogą wymagać dłuższego czasu wirowania (np. do dodatkowych 15-30 min) przy danej prędkości wirówki (np. 4 000 × g) w celu uzyskania klarownego supernatantu.</li>
	<li>Powtórz kroki 2.3 i 2.4 dwukrotnie, co daje w sumie trzy etapy utleniania.</li>
	<li>Po ostatnim etapie utleniania dodać 20 ml dejonizowanegoH2O(dH2O) do gleby i mieszać przez 5 minut za pomocą wytrząsarki poziomej (120 obr./min). Wirować przez 15 minut w temperaturze 4 000 × g i temperaturze pokojowej. Powtórz w sumie trzy zabiegi.</li>
	<li>Za pomocą szpatułki i dH2O z butelki ze spryskiwaczem, w razie potrzeby, ekstrahuj i wypłucz granulki gleby z dna probówki wirówkowej do plastikowej łodzi wagowej (lub innego pojemnika o dużej powierzchni). Wysuszyć w suszarce (maksymalnie 60 °C, 48 godzin) do stanu wysuszonego na powietrzu.</li>
	<li>Po wysuszeniu próbki gleby określ ilościowo całkowitą zawartość węgla organicznego za pomocą chromatografii gazów spalinowych przy użyciu analizatora C/N24. Obliczać Usuwanie SOM jako różnica w stężeniu węgla organicznego przed i po utlenianiu. 
	UWAGA: Ze względu na utratę materii organicznej i struktury gleby gleba będzie podatna na zaskorupianie, w szczególności na glebach o niskiej zawartości piasku. Może być konieczne zastosowanie delikatnego nacisku i/lub ręcznego mielenia w celu ponownej homogenizacji zaskorupiałej gleby. Gleby z węglem nieorganicznym (tj. węglanami) wymagają dodatkowych etapów ilościowego oznaczania węgla organicznego metodą chromatografii gazów spalinowych25,26.</li>
</ol>
3. Usuwanie SOM przez spalanie w wysokiej temperaturze
<ol>
	<li>Odmierz ~1-2 g ziemi (przesianej, wysuszonej na powietrzu) do porcelanowego tygla za pomocą szpatułki.</li>
	<li>Ogrzewać w temperaturze 550 °C przez 3 godziny za pomocą pieca muflowego. 
	UWAGA: Jest to przykładowa metoda usuwania SOM za pomocą spalania w stosunkowo wysokiej temperaturze. Patrz Dyskusja na temat alternatywnych procedur (np. temperatury).</li>
</ol>
4. Spektroskopia DRIFT
UWAGA: W tym przykładzie zostanie użyte oprogramowanie spektrometru FTIR wymienione w Tabeli Materiałów.
<ol>
	<li>Pozyskanie widm niepoddanej działaniu środka gleby i próbki referencyjnej wzbogaconej w minerały (poddanej obróbce w celu usunięcia SOM).
	<ol>
		<li>Przygotuj próbki gleby.
		<ol>
			<li>Rozcieńczyć próbki (opcjonalnie).
			<ol>
				<li>Użyć KBr (lub innej soli halogenkowej) o czystości analitycznej, wysuszonej w temperaturze 105 °C i przechowywanej w eksykatorze w celu usunięcia wilgoci resztkowej. W przypadku próbek glebowych skuteczne rozcieńczenia KBr można osiągnąć w zakresie 1-33%, w przeciwieństwie do < 1% w przypadku czystych związków.</li>
				<li>Wymieszaj glebę i KBr, aby uzyskać ostateczną wielkość próbki 100-400 mg. Na przykład, aby uzyskać 3% rozcieńczenie, delikatnie zmielić 12 mg suchej próbki z 60 mg KBr przez 60 s za pomocą moździerza agatowego i tłuczka. Następnie należy dodać 328 mg KBr, aby w pełni zhomogenizować próbkę.</li>
				<li>Stosować seryjne rozcieńczenia KBr, aby uzyskać wysoką końcową szybkość rozcieńczenia (< 1%). Wykonaj powtórzone rozcieńczenia, aby zapewnić odtwarzalność, zwłaszcza że rozcieńczone próbki zużywają 101-10 2 mniej gleby niż czyste próbki.</li>
			</ol>
			</li>
			<li>Próbki gleby poddanej obróbce i poddanej obróbce zmielić do podobnej konsystencji przez ręczne mielenie i przesiewanie (np. 250 μm przy użyciu sita 60#). 
			UWAGA: W porównaniu ze szlifowaniem ręcznym, większą konsystencję ułatwia automatyzacja, w szczególności mielenie kulowe. Jednak stosunkowo niewielka ilość ziemi używanej do usuwania SOM (np. 1-3 g do spopielania ze względu na objętość tygla) oznacza, że mielenie ręczne może być bardziej praktyczne.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Zbierz widmo tła.
		<ol>
			<li>Załadować próbkę KBr (zmieloną w taki sam sposób jak próbki gleby (patrz 4.1.1.2) w celu naśladowania efektów matrycy glebowej) do kubka na próbkę lub płytki. 
			UWAGA: "Widmo tła" różni się od widma odniesienia wzbogaconego w minerały (patrz 4.1.3) używanego do wykonywania odejmowania. Widmo tła zostanie wykorzystane przez oprogramowanie do usunięcia absorbancji atmosferycznych i innych absorbancji otoczenia podczas zbierania widm na próbkach gleby. Wszystkie opisy oprogramowania są specyficzne dla wybranego oprogramowania i będą musiały zostać dostosowane do innego oprogramowania.</li>
			<li>Przedmuchnąć komorę spektrometru powietrzem szorowanym CO2 i H2O (za pomocą generatora gazu przedmuchującego) lub gazemN2 w celu uzyskania większej spójności w warunkach zbierania. Na przykład zbieranie widm w atmosferze otoczenia może pociągać za sobą niewielkie wahania wilgotności i CO2 , które mogą powodować zmiany w widmach absorbancji. 
			UWAGA: Nowsze spektrometry mogą mieć lustra (np. złote, SiC), które mogą potencjalnie zmniejszyć wpływ wilgotności.</li>
			<li>Zbierz widmo tła przy użyciu tych samych ustawień detektora i parametrów akwizycji, w tym liczby skanowania, zakresu liczby falowej i rozdzielczości, które będą używane do zbierania widm próbek.
			<ol>
				<li>Otwórz menu rozwijane Eksperyment i wybierz żądaną eksperymentalną metodę zbierania (np. tryb akwizycji). 
				UWAGA: W tym przykładzie przy użyciu wybranego spektrometru (patrz Tabela materiałów), wybraną metodą jest komora główna iS50.</li>
				<li>Kliknij ikonę Konfiguracja eksperymentalna, aby wybrać parametry akwizycji spektralnej.</li>
				<li>Na karcie Collect sprawdź, czy liczba skanów i rozdzielczość są odpowiednie dla celów eksperymentalnych; na przykład typowym ustawieniem dla widm DRIFT czystych gleb jest 128 skanów w rozdzielczości 4 cm-1. Kliknij przycisk OK, aby zapisać zmiany.</li>
				<li>Kliknij ikonę Zbierz tło, aby zebrać widmo tła. Zachowaj widmo tła do wykorzystania w zbieraniu widm gleb (poddanych działaniu środka i nieoczyszczonych).</li>
			</ol>
			</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Pozyskaj widma próbek gleby. 
		UWAGA: Użyj tych samych parametrów akwizycji, aby zebrać widma tła i próbki (gleba niepoddana obróbce, gleba wzbogacona w minerały). Różnice między detektorami pod względem czasu akwizycji i rozdzielczości stanowią kompromisy, które wpływają na czas zbierania i jakość widma. Typowe numery skanów dla widm gleby wahają się od 128 do 512 skanów. Liczba skanów może zostać zmniejszona, a powtórzenia uśrednione, aby uzyskać całkowitą docelową liczbę skanów. Na przykład dwie kontrpróby analityczne - tę samą próbkę załadowaną do dwóch oddzielnych studzienek - można zebrać za pomocą 64 skanów każdy i uśrednić do łącznej liczby 128 skanów.
		<ol>
			<li>Załadować próbkę gleby. Aby zapewnić równomierne obciążenie i zminimalizować chropowatość powierzchni, wlej próbki do kubka na próbkę (lub studzienki) do punktu nieznacznego przepełnienia powyżej krawędzi lub krawędzi kubka. Następnie wygładź powierzchnię gleby w kubku za pomocą płaskiej krawędzi (np. brzytwy) tak, aby wysokość próbki gleby w kubku była zlicowana z krawędzią kubka. 
			UWAGA: Ze względu na interakcję światła podczerwonego z matrycą, taką jak gleba, w trybie odbicia rozproszonego, obciążenie próbki może wpływać na widma DRIFT. Próbki nie powinny być ubijane ani poddawane ciśnieniu, ponieważ gęstość upakowania może wpływać na absorbancję. Drobniejsza wielkość cząstek w próbkach zapewnia większą łatwość wygładzania powierzchni (patrz 4.1.2.1). W zależności od modelu spektrometru i gęstości próbki, masa próbki potrzebna do napełnienia kubka na próbkę będzie wynosić od 300 do 600 mg. W przypadku studni płytkowych zależy to również od wielkości studni. Płytki z większą liczbą dołków będą miały mniejsze dołki i dlatego będą wymagały mniejszej próbki. Na przykład płytki 96-dołkowe mają zwykle objętość studzienki 360 μl, podczas gdy płytki 24-dołkowe mają objętość studzienki 3,4 ml.</li>
			<li>Zbierz widma próbek gleby niepoddanej działaniu środka i poddanej obróbce. Najpierw sprawdzić, czy wykorzystano widmo tła zebrane wcześniej (patrz 4.1.2.3.4). Kliknij opcję Konfiguracja eksperymentalna. Na karcie Zbieranie wybierz opcję Użyj określonego pliku tła i załaduj plik widma tła. Kliknij przycisk OK, aby zapisać zmiany. Aby rozpocząć zbieranie spektralne na glebie, kliknij przycisk Collect Sample. 
			UWAGA: Ponownie załaduj tę samą próbkę do innego dołka lub kubka na próbkę, aby zebrać widma repliki w celu uwzględnienia artefaktów rozpraszania powstałych w wyniku chropowatości powierzchni i zmienności gęstości matrycy.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wykonaj odejmowanie spektralne. 
	UWAGA: Współczynnik odejmowania (SF) waży stopień, w jakim absorbancja w widmie odniesienia minerału jest odejmowana od absorbancji przy odpowiedniej liczbie falowej w widmie gleby niepoddanej obróbce. W przypadku odejmowania skoncentrowanego na poprawie rozdzielczości absorbancji organicznych w celu scharakteryzowania SOM, zaleca się wykorzystanie całego MIR zapewnianego przez większość spektrometrów (np. 4,000 do 650 lub 400 cm-1, w zależności od detektora). W kolejnych krokach opisano empiryczną metodę wyznaczania SF. Wszystkie opisy oprogramowania są specyficzne dla wybranego oprogramowania i będą musiały zostać dostosowane do innego oprogramowania.
	<ol>
		<li>Wyzeruj piki za pomocą opcji odejmowania w oprogramowaniu w celu zmiany współczynnika odejmowania (SF) w celu zminimalizowania lub zmniejszenia docelowych pików minerałów i/lub pików minerałów i/lub maksymalizacji liniowej linii bazowej14.</li>
		<li>Jednocześnie wybierz widma gleby niepoddanej działaniu środka i poddanej obróbce i kliknij ikonę Odejmij (górny środek ekranu); Pierwsze wybrane widmo (gleba niepoddana działaniu środka) będzie widmem, od którego zostanie odjęte drugie widmo (gleba poddana działaniu środka).</li>
		<li>Użyj pionowego paska przełączania lub strzałek, aby zwiększyć lub zmniejszyć SF (po lewej stronie ekranu). Obserwuj zmiany w podglądanym widmie odejmowania.
		<ol>
			<li>Użyj tej funkcji iteracyjnej, aby określić odpowiednią SF zgodnie z opisem w sekcji Reprezentatywne wyniki. Liczbowa wartość SF pojawia się na środku paska przełączania. Aby dostosować zakres wartości SF, użyj przycisków Drobniejszy i Grubszy.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Kliknij przycisk Dodaj (prawy górny róg ekranu), aby załadować obliczone widmo odejmowania do okna. 
		UWAGA: Ponieważ większość absorbancji minerałów nie jest liniowa ze stężeniem w większości (jeśli nie we wszystkich) próbkach gleby, zwykle nie jest możliwe usunięcie wszystkich pików mineralnych. Zaleca się, aby piki mineralne uważane za mniej podatne na inwersję (np. kwarcowy Si-O na wysokości 2,100-1,780 cm-1)14 były używane jako pik docelowy do zera poprzez dostosowanie SF.</li>
		<li>Zapisz i podaj szczegóły metodologiczne dotyczące sposobu przeprowadzenia odejmowania z wystarczającą szczegółowością, aby umożliwić niezależne obliczenie tego samego widma odejmowania od widma gleby niepoddanej działaniu substancji, w tym: (1) obszar liczby falowej użyty do odejmowania, (2) SF lub zakres użytych SF oraz (3) pik (mineralny) lub region przeznaczony do zerowania. 
UWAGA: Dobrym testem niezawodności odejmowania jest wykonanie go ponownie przez tego samego użytkownika i/lub niezależnie przez innego użytkownika przy użyciu zgłoszonych parametrów odejmowania.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zinterpretuj widma.
	<ol>
		<li>Wykonaj interpretację spektralną, korzystając z różnych dostępnych zasobów do analizy i interpretacji wynikowych widm odejmowania, w szczególności przypisań absorbancji do organicznych grup funkcyjnych4. 
		UWAGA: Inne zastosowania widm odejmowania obejmują analizę wielowymiarową (np. analizę głównych składowych), chemometryczne przewidywanie analitów glebowych27, a nawet kryminalistyczne odciski palców9.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Metoda usuwania SOM wiąże się z dwoma czynnikami: 1) ilością usuniętego SOM oraz 2) artefaktami absorbancji w wynikowym mineralnym widmie odniesienia. Na szczęście jest to możliwe – i prawdopodobnie konieczne – zidentyfikowanie i uszeregowanie tych problemów, aby uniknąć tendencyjnych interpretacji składu SOM na podstawie wynikowego spektrum odejmowania. Idealnie byłoby, gdyby odejmowanie spektralne wykorzystywało widmo referencyjne tylko dla minerałów, aby uzyskać widmo "czystego" SOM. W rzeczywistości uzyskane widmo od...

Materia organiczna gleby (SOM) jest drugorzędnym składnikiem masowym w większości próbek gleby, ale jest związana z wieloma właściwościami i procesami leżącymi u podstaw funkcji gleby, takimi jak obieg składników odżywczych i sekwestracja węgla1. Scharakteryzowanie składu SOM jest jednym z kilku podejść do powiązania powstawania i obrotu SOM z jego rolą (rolami) w funkcjach gleby2,3. Jedną z metod charakteryzowania składu SOM jest spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR), która umożliwia detekcję grup funkcyjnych tworzących materię organiczną w glebach i innych próbkach środowiskowych (np. karboksylowy C-O, alifatyczny C-H)4. Jednak przydatność spektroskopii FTIR do ujawniania składu grup funkcyjnych SOM jest kwestionowana przez dominujący składnik mineralny dla większości gleb (zwykle > 95% masy) ze względu na silne absorbancje nieorganiczne, które utrudniają lub poważnie ograniczają wykrywanie i interpretację absorbancji organicznych.
Odejmowanie spektralne oferuje sposób na poprawę spektroskopowej charakterystyki FTIR materii organicznej w próbkach gleby. Odejmowanie absorbancji mineralnych od widma glebowego może być wykorzystane do zwiększenia absorbancji organicznych grup funkcyjnych będących przedmiotem zainteresowania w analizie składu SOM
(Rysunek 1).
Zalety odejmowania spektralnego w porównaniu ze standardową spektroskopią FTIR (tj. widmami glebowymi) obejmują:
(i) Poprawiona rozdzielczość i interpretacja pasm absorbancji organicznej w porównaniu do normalnych widm gleby. Chociaż interpretację pasm organicznych w widmach glebowych można przeprowadzić, zakładając, że względne różnice w absorbancji wynikają z różnic w organicznych grupach funkcyjnych, ogranicza to porównania do próbek o tej samej mineralogii i stosunkowo wysokiej zawartości SOM i może być mniej wrażliwe na zmiany w pasmach organicznych, nawet tych uważanych za stosunkowo wolne od minerałów (np. alifatyczne rozciąganie C-H)5
(ii) Analiza gleb poza próbkami o wysokiej zawartości SOM lub ekstraktami lub frakcjami wzbogaconymi w materię organiczną
(iii) Podkreślanie zmian wywołanych przez eksperymentalne zabiegi od mezokosmosu do skal terenowych6
Dodatkowe zastosowania odejmowania spektralnego w analizie FTIR SOM obejmują uzupełnianie charakterystyk strukturalnych i molekularnych (np. spektroskopia NMR, spektrometria masowa)5,7, identyfikując skład SOM usunięty przez ekstrakcję lub niszczące frakcjonowanie8, oraz odcisk palca kompozycji SOM do celów kryminalistycznych9. Metoda ta ma zastosowanie do szerokiej gamy mieszanek mineralno-organicznych poza glebami, w tym sediment10, peat11 i coal12,13.
Potencjał odejmowania spektralnego dla poprawy charakterystyki spektroskopowej FTIR SOM jest demonstrowany na przykładach usuwania materii organicznej w celu uzyskania mineralnych widm referencyjnych, a następnie, korzystając z tych mineralnych widm referencyjnych, wykonywania i oceny idealnych i nieidealnych odejmowań spektralnych. Ta demonstracja koncentruje się na widmach transformaty Fouriera w podczerwieni (DRIFT) z rozproszonym odbiciem zebranym w obszarze średniej podczerwieni (MIR, 4 000 - 400 cm-1), ponieważ jest to szeroko rozpowszechnione podejście do analizy próbek gleby4.
Dwie przykładowe metody usuwania SOM w celu uzyskania wzbogaconego minerałami spektrum referencyjnego to (i) spalanie w wysokiej temperaturze ("spopielanie") oraz (ii) utlenianie chemiczne przy użyciu rozcieńczonego podchlorynu sodu (NaOCl). Należy zauważyć, że są to przykłady powszechnie stosowanych metod usuwania SOM, a nie zalecenia nakazowe. Inne metody usuwania SOM mogą oferować zmniejszenie ilości artefaktów mineralnych i/lub zwiększenie szybkości usuwania (np. spopielanie w niskiej temperaturze)14. Popielanie wysokotemperaturowe było jedną z pierwszych metod stosowanych do uzyskiwania widm referencyjnych wzbogaconych minerałami do wykonywania odejmowania, początkowo dla próbek wzbogaconych w OM pochodzących z gleb (np. rozpuszczona materia organiczna, ściółka)15,16, a następnie jego zastosowanie do masowych próbek gleby17,18. Przykładowe utlenianie chemiczne użyte do usunięcia SOM jest oparte na metodzie utleniania NaOCl opisanej przez Anderson19. Został on pierwotnie opracowany jako obróbka wstępna do usuwania materii organicznej z próbek gleby przed analizą dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) i został zbadany jako potencjalne frakcjonowanie chemiczne wrażliwe na stabilizację SOM20,21. Zarówno usuwanie w wysokiej temperaturze, jak i utlenianie chemiczne przy użyciu NaOCl mogą pociągać za sobą artefakty specyficzne dla gleby i mieć ograniczenia w interpretacji spektralnej, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze metody usuwania SOM14,22.

<table><tbody><tr><td>Spektrometr Nicolet iS50</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>912A0760</td><td>spektrometr podczerwieni służący do zbierania widm</td></tr><tr><td>EasiDiff</td><td>Pike Technologies</td><td>042-1040</td><td>wysokoprzepustowy uchwyt na próbki</td></tr><tr><td>OMNIC</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>INQSOF018</td><td>oprogramowanie służące do wykonywania odejmowania</td></tr><tr><td>6% v/v podchloryn sodu</td><td>Clorox</td><td>n/a</td><td>Zwykły wybielacz kupiony w sklepie do oksydacyjnego usuwania materii organicznej z gleby</td></tr><tr><td>Piec typu 47900 Piec</td> muflowy <td>VWR International</td><td>30609-748</td><td>do spopielania gleb w celu usunięcia materii organicznej z gleby</td></tr><tr><td>Tygle Gooch VWR, porcelana&nbsp;</td><td>Tygle VWR International</td><td>89038-038</td><td>do spopielania</td></tr><tr><td>VWR Probówka 50 ml Sterylna CS500&nbsp;</td><td>VWR International</td><td>89004-364</td><td>do podchlorynu sodu</td></tr><tr><td>Piec z wymuszonym obiegiem powietrza</td><td>VWR International</td><td>89511-414</td><td>do suszenia gleb po utlenianiu i myciu wodą</td></tr><tr><td>Miernik pH VersaStar</td><td>Fisher Scientific</td><td>13 645 573</td><td>do pomiaru pH roztworu utleniającego</td></tr></tbody></table>

poprawa charakterystyki materii organicznej gleby za pomocą spektroskopii w podczerwieni za pomocą odejmowania spektralnego

Improving Infrared Spectroscopy Characterization of Soil Organic Matter with Spectral Subtractions

Materia organiczna gleby (SOM) leży u podstaw wielu procesów i funkcji gleby. Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR) wykrywa aktywne w podczerwieni wiązania organiczne, które stanowią organiczny składnik gleby. Jednak stosunkowo niska zawartość materii organicznej w glebach (zwykle < 5% masy) oraz nakładanie się absorbancji mineralnych i organicznych grup funkcyjnych w obszarze średniej podczerwieni (MIR) (4 000-400 cm-1) powoduje znaczną interferencję ze strony dominujących absorbancji minerałów, utrudniając lub nawet uniemożliwiając interpretację widm dla charakterystyki SOM. Odejmowanie spektralne, czyli matematyczne traktowanie widm post hoc, może zmniejszyć interferencję minerałów i zwiększyć rozdzielczość obszarów widmowych odpowiadających organicznym grupom funkcyjnym poprzez matematyczne usunięcie absorbancji minerałów. Wymaga to wzbogaconego minerałami widma referencyjnego, które można empirycznie uzyskać dla danej próbki gleby poprzez usunięcie SOM. Widmo referencyjne wzbogacone w minerały odejmuje się od pierwotnego (niepoddanego obróbce) widma próbki gleby w celu uzyskania widma reprezentującego absorbancję SOM. Typowe metody usuwania SOM obejmują spalanie w wysokiej temperaturze ("spopielanie") i utlenianie chemiczne. Wybór metody usuwania SOM wiąże się z dwoma względami: (1) ilością usuniętego SOM oraz (2) artefaktami absorbancji w mineralnym spektrum odniesienia, a tym samym wynikowym widmem odejmowania. Te potencjalne problemy mogą i powinny być identyfikowane i kwantyfikowane w celu uniknięcia błędnych lub tendencyjnych interpretacji widm dla składu organicznych grup funkcyjnych SOM. Po usunięciu SOM otrzymana próbka wzbogacona w minerały jest wykorzystywana do zebrania mineralnego widma referencyjnego. Istnieje kilka strategii wykonywania odejmowania w zależności od celów eksperymentu i charakterystyki próby, w szczególności określania współczynnika odejmowania. Uzyskane widmo odejmowania wymaga starannej interpretacji w oparciu o wyżej wymienioną metodologię. W przypadku wielu próbek gleby i innych próbek środowiskowych zawierających znaczne składniki mineralne, odejmowanie ma duży potencjał w zakresie poprawy spektroskopowej charakterystyki składu materii organicznej FTIR.

Metoda usuwania SOM ma znaczenie zarówno praktyczne, jak i teoretyczne dla interpretacji widm różnicowych. Na przykład zmiany mineralne wynikające z popielania w wysokiej temperaturze mogą objawiać się zanikiem lub pojawieniem się pików i/lub przesunięciem lub poszerzeniem pików w referencyjnym widmie minerałów. Artefakty spektralne te mają tendencję do występowania w obszarach nakładania się z pasmami organicznymi w zakresie 1600–900 cm⁻¹.-1,22 utrudnia...

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.

Poprawa charakterystyki materii organicznej gleby za pomocą spektroskopii w podczerwieni za pomocą odejmowania spektralnego

Soil organic matter (SOM) underlies numerous soil processes and functions. Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy detects infrared-active organic ...

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.

improving-infrared-spectroscopy-characterization-soil-organic-matter

Research

JoVE Journal

Environment

Środowisko

Obrazowanie spektroskopowe w podczerwieni z transformacją Fouriera (FT-IR) jest szybkim i bezznacznikowym podejściem do uzyskiwania zestawów danych biochemicznych komórek i tkanek. W tym miejscu pokazujemy, jak uzyskać obrazy FT-IR o wysokiej rozdzielczości skrawków tkanek w celu poprawy diagnostyki choroby.

Obrazowanie spektroskopowe w podczerwieni z transformacją Fouriera (FT-IR) o wysokiej rozdzielczości skrawków tkanek ludzkich w kierunku poprawy patologii

Przedstawiono eksperymentalny protokół oceny systemów korzeniowych roślin uprawianych w glebie za pomocą RGB i obrazowania hiperspektralnego. Połączenie szeregów czasowych obrazu RGB z informacjami chemometrycznymi ze skanów hiperspektralnych optymalizuje wgląd w dynamikę korzeni roślin.

RGB i spektralne obrazowanie korzeni do fenotypowania roślin i badań fizjologicznych: konfiguracja eksperymentalna i protokoły obrazowania

Przedstawiono protokół analizy spektroelektrochemicznej Ramana i IR krok po kroku.

Metody spektroelektrochemiczne Ramana i IR jako narzędzia do analizy sprzężonych związków organicznych

Frakcjonowanie o połączonej wielkości i gęstości (CSDF) to metoda fizycznego rozdzielania gleby na frakcje różniące się teksturą (wielkością cząstek) i mineralogią (gęstością). Celem jest wyizolowanie frakcji o różnej reaktywności w stosunku do materii organicznej gleby (SOM), aby lepiej zrozumieć interakcje organiczno-mineralne i dynamikę SOM.

Połączone frakcjonowanie wielkości i gęstości gleb do badań interakcji organiczno-mineralnych

Ten protokół opisuje pojedynczą przepustowość dla uzupełniających technik analitycznych i omicznych, której kulminacją jest w pełni sparowana charakterystyka naturalnej materii organicznej i proteomiki mikrobiologicznej w różnych ekosystemach. Podejście to pozwala na solidne porównania w celu identyfikacji szlaków i przemian metabolicznych ważnych dla opisu produkcji gazów cieplarnianych i przewidywania reakcji na zmiany środowiskowe.

Jednoprzepustowe komplementarne techniki analityczne o wysokiej rozdzielczości do charakteryzowania złożonych mieszanin naturalnej materii organicznej

Protokół opisuje metodę przewidywania stężenia o-krezolu podczas produkcji eteru polifenylenowego za pomocą spektroskopii bliskiej podczerwieni i częściowej regresji metodą najmniejszych kwadratów. Aby jaśniej i pełniej opisać ten proces, w celu wyjaśnienia etapów posłużono się przykładem przewidywania stężenia o-krezolu podczas produkcji polifenylenu.

Pomiar stężenia O-krezolu online w oparciu o spektroskopię bliskiej podczerwieni za pomocą częściowej regresji metodą najmniejszych kwadratów

Próbki biologiczne mają różne cechy optyczne w zakresie krótkofalowej podczerwieni (SWIR) w porównaniu do zakresu długości fal widzialnych (VIS) i bliskiej podczerwieni (NIR). Jednak rejestrowanie czystych widm absorpcyjnych SWIR jest trudne i rzadko przeprowadzane w przypadku cząsteczek biologicznych. W artykule przedstawiono metodę charakterystyki widm absorpcyjnych VIS-SWIR absorberów biologicznych.

Charakterystyka biologicznych widm absorpcyjnych obejmujących zakres od światła widzialnego do krótkofalowej podczerwieni

Ta metoda wyjaśnia, jak zbudować i obsługiwać ciągłą komorę do znakowania izotopów 13C i 15N do jednolitego lub zróżnicowanego etykietowania tkanek roślinnych. Omówiono reprezentatywne wyniki znakowania metabolicznego i strukturalnego Andropogon gerardii.

Konstrukcja i działanie komory do ciągłego znakowania izotopami 13C i 15N do jednorodnego lub różnicowego, metabolicznego i strukturalnego znakowania izotopów roślinnych

Labilny węgiel organiczny (LOC) i potencjalny wskaźnik obrotu węgla są czułymi wskaźnikami zmian w procesach obiegu składników odżywczych w glebie. Podano szczegółowe informacje na temat metody opartej na fumigacji i inkubacji gleby w serii cykli oraz wykorzystaniu CO2 nagromadzonego w okresach inkubacji w celu oszacowania tych parametrów.

Ocena labilnego węgla organicznego w glebie za pomocą sekwencyjnych procedur inkubacji fumigacji

Rozpuszczona materia organiczna stanowi ważne źródło energii i składników odżywczych dla ekosystemów. W tym miejscu demonstrujemy metodę opartą na terenie do manipulowania otaczającą pulą rozpuszczonej materii organicznej in situ za pomocą łatwych do odtworzenia impulsów składników odżywczych.

Zrozumienie biogeochemii rozpuszczonej materii organicznej poprzez manipulacje składnikami odżywczymi in situ w ekosystemach strumieni

Poznaj metodę spektroskopii FTIR do analizy materii organicznej gleby z wykorzystaniem odejmowania spektralnego. Technika ta redukuje zakłócenia mineralne, poprawiając interpretację składu organicznego w próbkach środowiskowych.

Poprawa charakterystyki materii organicznej gleby za pomocą spektroskopii w podczerwieni za pomocą odejmowania spektralnego

Przeglądaj więcej filmów