Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Forbedring af infrarød spektroskopi karakterisering af jordbundens organiske materiale med spektrale fradrag

Published: January 10, 2019 doi: 10.3791/57464
Automatic Translation
1, 2, 3
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

Summary

SOM ligger til grund for mange jordbundens funktioner og processer, men dens karakterisering af FTIR spektroskopi er ofte udfordret af mineralske interferenser. Den beskrevne metode kan øge nytten af SOM analyse af FTIR spektroskopi ved at fratrække mineral interferenser i jord spectra ved hjælp af empirisk opnået mineral reference spektre.

Abstract

Jordbundens organiske materiale (SOM) ligger til grund for talrige jord processer og funktioner. Fourier transform infrarød (FTIR) spektroskopi registrerer infrarød-aktive organiske obligationer, der udgør den organiske komponent i jord. Dog skaber relativt lavt organisk stof indhold af jord (almindeligt < 5% af masse) og absorbans overlapning af mineralske og organiske funktionelle grupper i regionen midten infrarød (MIR) (4.000-400 cm-1) betydelige forstyrrelser af dominerende mineralske absorptioner, udfordrende eller endog forhindre fortolkning af spektre for SOM karakterisering. Spektrale fradrag, en post-hoc matematisk behandling af spektre, kan reducere mineral indblanding og forbedre løsningen af spektrale regioner svarende til økologisk funktionelle grupper ved matematisk at fjerne mineralske absorptioner. Dette kræver en mineral-beriget referencespektrum, som empirisk kan fås for en given jordprøve ved at fjerne SOM. Mineral-beriget referencespektret trækkes fra den oprindelige (ubehandlet) spektrum af jordprøve til at producere et spektrum, der repræsenterer SOM absorptioner. Fælles SOM fjernelse metoder omfatter høj temperatur forbrænding ('blinke') og kemiske oxidation. Udvalg af metoden SOM fjernelse bærer to betragtninger: (1) beløbet SOM fjernet, og (2) absorbans artefakter i mineralet spektrum og dermed den resulterende subtraktion spektrum. Disse potentielle problemer kan, og bør identificeres og kvantificeres for at undgå fejlagtige eller tendentiøse fortolkninger af spektre for økologisk funktionsgruppe sammensætning af SOM. Efter SOM fjernelse bruges den resulterende mineral-beriget prøve at indsamle mineral referencespektrum. Flere strategier eksisterer for at udføre fradrag afhængigt af eksperimentelle mål og prøve egenskaber, især fastlæggelsen af subtraktion faktor. Den resulterende subtraktion spektrum kræver omhyggelig fortolkning bygger på den ovennævnte metode. For mange jord og andre miljøprøver, der indeholder betydelige mineralske komponenter, har fradrag stort potentiale til at forbedre FTIR spektroskopiske karakterisering af organisk materiale sammensætning.

Introduction

Jordbundens organiske materiale (SOM) er en mindre bestanddel af masse i de fleste jordprøver, men er indblandet i flere egenskaber og processer underliggende jordbundens funktioner, såsom næringsstof cykling og carbon sequestration1. Kendetegner sammensætningen af SOM er en af flere tilgange til link SOM dannelse og omsætning med sin rolle(r) i jordbundens funktioner2,3. En metode til at karakterisere SOM sammensætning er Fourier transform infrarød (FTIR) spektroskopi, der tilbyder registrering af funktionelle grupper, der udgør organisk materiale i jord og andre miljøprøver (fxcarboxyl C-O, alifatiske C-H) 4. imidlertid nytte af FTIR spektroskopi for afslørende SOM funktionelle gruppe sammensætning er udfordret af den dominerende mineral komponent for størstedelen af jord (typisk > 95% masse) på grund af stærk uorganisk absorptioner, der udfordrer eller stærkt begrænse registrering og fortolkning af økologisk absorptioner.

Spektrale fradrag tilbyder en måde at forbedre FTIR spektroskopiske karakterisering af organisk materiale i jordprøver. Fratrække mineral absorptioner fra jord spektrum kan bruges til at forbedre absorptioner af økologisk funktionelle grupper af interesse i analysen af SOM sammensætning

(Figur 1).

Fordele ved spektrale fradrag over standard FTIR spektroskopi (dvs., jord spectra) omfatter:

a forbedret opløsning og fortolkning af økologisk absorbans bands i forhold til normal jord spektre. Selv om fortolkning af økologisk bands i jord spektre kan udføres af, antages det, at de relative forskelle i absorbans skyldes forskelle i økologisk funktionelle grupper, begrænser dette sammenligninger til prøver med den samme mineralogi og relativt høj SOM indhold, og kan være mindre følsomme over for ændringer i økologisk bands, selv disse anses for at være relativt mineral-fri (f.eks. Alifatiske C-H stræk)5

(ii) analyse af jord ud over høj SOM prøver eller organisk materiale beriget ekstrakter eller fraktioner

(iii) fremhæve ændringer foranlediget af eksperimentelle behandlinger fra mesokosmoslangtidstest til felt skalaer6

Yderligere anvendelser af spektrale fradrag i FTIR analyse af SOM omfatter supplerer strukturelle og molekylær karakterisering (fx, NMR spektroskopi, massespektrometri)5,7, at identificere de sammensætning af SOM fjernes ved en udvinding eller destruktive fraktionering8og fingeraftryk SOM sammensætning for retsvidenskabelige formål9. Denne metode kan anvendes til en bred vifte af mineral-organiske blandinger jord, herunder sediment10, tørv11og kul12,13.

Spektrale fradrag potentiale til at forbedre FTIR spektroskopiske karakterisering af SOM er påvist ved hjælp af eksempler på organisk materiale fjernelse for at få mineral reference spektre, og derefter, ved hjælp af disse mineralske henvise spektre, udførelse og evaluere ideelle og ikke ideelle spektrale fradrag. Denne demonstration fokuserer på diffuse Reflektionsgraden infrarød Fourier transform (DRIFT) spectra indsamlet i regionen midten infrarød (MIR, 4.000-400 cm-1), da dette er en omfattende tilgang til analyse af jord prøver4.

To eksempel metoderne til SOM afsked for at opnå en mineral-beriget referencespektrum er (i) høj-temperatur forbrænding ('blinke') og (ii) kemiske oxidation, ved hjælp af fortyndet natriumhypochlorit (NaOCl). Det skal bemærkes, at disse er eksempler på almindeligt ansat SOM hårfjerning metoder i stedet for præskriptive anbefalinger. Andre metoder til SOM fjernelse kan tilbyde nedsatte mineral artefakter og/eller forbedret fjernelse satser (fx, lav temperatur foraskning)14. Høj temperatur foraskning var en af de første metoder bruges til at få mineral-beriget reference spektre for udfører fradrag, i første omgang for OM-beriget prøver afledt af jord (f.eks.opløst organisk stof, kuld)15, 16 efterfulgt af dens anvendelse til bulk jord prøver17,18. Eksempel kemisk oxidation anvendes til at fjerne SOM er baseret på metoden med NaOCl oxidation beskrevet af Anderson19. Det blev oprindeligt udviklet som en forbehandling til at fjerne organisk stof i jordprøver inden røntgen diffraktion (XRD) analyse, og har været undersøgt som en potentiel kemiske fraktionering følsomme SOM stabilisering20, 21. både høj-temperatur fjernelse og kemiske oxidation bruger NaOCl kan medføre jord-specifikke artefakter og har begrænsninger på spektrale fortolkning, der bør overvejes, når du vælger en metode SOM fjernelse14, 22.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. forberede jorden til ubehandlede DRIFT spektroskopi og SOM fjernelse

  1. Sigten jord til < 2 mm ved hjælp af en rustfrit stål mesh (» bøde-jorden brøkdel').
    Bemærk: Denne demonstration beskæftiger to jord af lignende konsistens, men en næsten 3-fold forskel i samlede SOM indhold (tabel 1).

2. SOM fjernelse af kemisk Oxidation: eksempel på NaOCl

  1. Justere pH 6% w/v NaOCl til pH 9,5 ved at tilføje 1 M HCl dråbevis til opløsningen mens blanding og måling med et pH-meter.
    Bemærk: De fleste kommercielle blegemidler (fxClorox) er velegnet i kvalitet og koncentration (typisk 3-7% NaOCl v/v) men vil have pH > 12. Som NaOCl oxidation af organisk stof er pH-afhængige, og pH 9.5 anbefales til brug med jord prøver19,23, er det nødvendigt at justere pH-værdien af de fleste kommercielt tilgængelige blegemidler.
  2. Der tilsættes 25 mL NaOCl (6% w/v, pH 9.5) til 4 g jord (sigtes, lufttørret) i en 50 mL konisk rør og blandes ved ultralydbehandling (600 s, output frekvens 20 kHz, power 200 W).
  3. Inkuber blandingen i et varmt bad (15 min, 80 ° C) til at øge oxidation sats.
  4. Centrifuge at opnå en klar supernatanten (f.eks.15 min. ved 4000 × g for grovere tekstureret jord, og stuetemperatur). Manuelt dekanteres i en spildbakken.
    Bemærk: Koncentrationen af NaOCl i supernatanten (konservativt forudsat ingen oxidation og dermed ingen forbrug af NaOCl) er det samme som kommercielt tilgængelige blegemiddel til husholdningsbrug. Finere teksturerede jord kan kræve længere centrifugeringstiden (fxop til en yderligere 15-30 min.) ved en given centrifuge hastighed (fx, 4.000 × g) for at opnå en klar supernatanten.
  5. Gentag trin 2.3 og 2.4 to gange i alt tre oxidation skridt.
  6. Efter det sidste oxidation skridt, tilføje 20 mL deioniseret H2O (dH2O) til jord og mix i 5 min ved hjælp af en vandret shaker (120 rpm). Der centrifugeres i 15 min. ved 4000 × g og stuetemperatur. Gentag i alt tre behandlinger.
  7. Ved hjælp af en spatel og dH2O fra en sprøjte flaske efter behov, uddrag og vaskes ud jord toerstoffet fra bunden i centrifugeglasset i en plastik vejer båden (eller en anden beholder med høj areal). Ovntørret (60 ° C maksimal, 48 h) til en lufttørret tilstand.
  8. Når jordprøven er tørret, kvantificere samlede organiske kulstofindhold ved forbrænding-gaskromatografi ved hjælp af en C/N analyzer24. Beregne SOM fjernelse som forskellen i organisk kulstof koncentration før og efter oxidation behandling.
    Bemærk: På grund af tab af organisk materiale og jordbundsstrukturen, jord vil blive udsat for skorpedannelse, navnlig til jordbund med lav sand indhold. Det kan være nødvendigt at anvende blide tryk og/eller hånd slibning for at re homogeniseres crusted jorden. Jord med uorganisk kulstof (dvs., karbonater) kræver yderligere trin til kvantificering af organisk kulstof ved forbrænding-gas chromatografi25,26.

3. SOM fjernelse af høj temperatur forbrænding

  1. Foranstaltning ~ 1-2 g jord (sigtes, lufttørret) i en porcelæn crucible ved hjælp af en spatel.
  2. Varme ved 550 ° C til 3 h ved hjælp af en muffelovn.
    Bemærk: Dette er en eksempel metode til SOM fjernelse af at bruge forbrænding ved en relativt høj temperatur. Henvise til diskussion på alternative procedurer (fx, temperatur).

4. DRIFT spektroskopi

Bemærk: I dette eksempel FTIR spektrometer programmel listet i Tabel af materialer bliver brugt.

  1. Erhverve spektre af ubehandlet jord og mineralske beriget referenceprøve (behandlet for at fjerne SOM).
    1. Forberede Jordprøverne.
      1. Fortynd prøver (valgfrit).
        1. Brug analysekvalitet KBr (eller andre metalhalogenlamper salt) tørret ved 105 ° C og opbevares i en ekssikkator til at fjerne tilbageværende fugt. For jordprøver, kan effektiv KBr fortyndinger opnås på en række 1-33%, i modsætning til < 1% for ren forbindelser.
        2. Bland jord og KBr for en endelige stikprøve på 100-400 mg. For eksempel, for en 3% fortynding, forsigtigt male 12 mg af tør prøve med 60 mg af KBr i 60 s med agat morter og pistil. Derefter, 'fold ' 328 mg af KBr til fuldt homogeniseres prøven.
        3. Bruge serielle fortyndinger med KBr til at opnå en høj endelige fortynding sats (< 1%). Udføre Repliker fortyndinger for at sikre reproducerbarheden, især da fortyndede prøver bruge 101-102 mindre jord end pæn prøver.
      2. Male ubehandlet og behandlede jordprøver til lignende konsistens af hånd formaling og sigtning (fx, 250 µm ved hjælp af en 60 # sigte).
        Bemærk: I forhold til hånd lettes slibning, større sammenhæng ved automatisering, navnlig af bolden fræsning. Men den relativt lille beløb af jord, brugte i SOM fjernelse (f.eks., 1-3 g til foraskning på grund af digel volumen) betyder at hånd slibning kan være mere praktisk.
    2. Indsamle baggrund spektrum.
      1. Indlæse et udsnit af KBr (jorden på samme måde som jordprøver (Se 4.1.1.2) for at efterligne jord matrixeffekter) i en prøve cup eller plade godt.
        Bemærk: "Baggrunden spektrum" er forskelligt fra mineral-beriget reference (jf. 4.1.3) bruges til at udføre fradrag. Baggrund spektrum vil blive brugt af software til at fjerne atmosfæriske og andre omgivende absorptioner under indsamlingen af spektre på jordprøver. Alle software betegnelser er specifikke for den valgte software og vil skulle tilpasses til andre software.
      2. Rense spektrometer kammer med CO2- og H2O-skrubbes luft (via en udrensning gasgenerator) eller N2 gas for større konsekvens i samling betingelser. For eksempel, kan samling af spektre under omgivende atmosfære medføre små udsving i luftfugtigheden og CO2 , der kan forårsage ændringer i absorbans spektre.
        Bemærk: Nyere spektrometre kan have spejle (f.eks., guld, SiC), der potentielt kan reducere luftfugtigheden effekter.
      3. Indsamle en baggrund spektrum ved hjælp af de samme detektor og erhvervelse parameterindstillinger, herunder scanning nummer, wavenumber rækkevidde og opløsning, der skal bruges til at indsamle spektre af prøver.
        1. Åbne drop-down menuen til eksperiment og vælge den ønskede eksperimentelle indsamlingsmetode (fx, erhvervelse mode).
          Bemærk: I dette eksempel bruger valgte spectrometer (Se Tabel af materialer), den valgte metode er IS50 vigtigste rum.
        2. Klik på ikonet Eksperimentel opsætning for at vælge parametre, spektrale erhvervelse.
        3. Under fanen indsamle kontrollere, at antallet af scanninger og opløsning er passende for eksperimenterende mål; f.eks. en fælles indstilling for AFDRIFT spektre af pæn jord er 128 scanninger på 4 cm-1 opløsning. Klik på Ok for at gemme ændringer.
        4. Klik på ikonet Indsamle baggrund for at indsamle en baggrund spektrum. Gem baggrund frekvenser til brug i samlingen af spektre af jord (behandlet og ubehandlet).
    3. Erhverve spektre af jordprøver.
      Bemærk: Brug de samme erhvervelse parametre til at indsamle baggrund og prøve (ubehandlet jord, mineral-beriget jord) spektre. Forskelle blandt detektorer i erhvervelse tid og beslutningen udgør afvejninger, der påvirker afhentningstidspunkt og spektral kvalitet. Typiske scan tal for jord spectra spænder fra 128-512 scanninger. Scan antallet kan være faldet og replikater i gennemsnit for at opnå samlede mål scan flere. For eksempel, to analytiske replikater - samme prøve indlæst i to separate brønde - kan indsamles ved hjælp af 64 scanninger og gennemsnit for i alt 128 scanninger.
      1. Indlæse jordprøven. For at sikre konsekvent lastning og minimere overfladeruhed, hæld prøver i stikprøven cup (eller godt) til punktet af lidt overfyldning ovenfor læbe eller kanten af koppen. Derefter, overfladen glat jorden i koppen ved hjælp af en flad kant (fx, razor) således, at højden af jord prøve i cup er flugter med læbe af cup.
        Bemærk: På grund af interaktion med infrarødt lys med en matrix som jord i diffuse Reflektionsgraden tilstand, prøve lastning kan påvirke DRIFT spektre. Prøverne bør ikke bankes eller udsat for pres, fordi pakning tæthed kan påvirke absorbans. Finere partikelstørrelse prøver sikrer større lethed i overfladen udjævning (Se 4.1.2.1). Afhængig af modellens spektrometer og prøve tæthed, vil massen af prøven skulle udfylde en prøve cup spænder fra 300 til 600 mg. I forbindelse med plade wells afhænger det også godt størrelse. Plader med et større antal brønde vil have mindre brønde og vil derfor kræve mindre udsnit. For eksempel, har 96-brønd plader almindeligvis et godt antal 360 µL 24-godt plader har en godt lydstyrke 3,4 ml.
      2. Indsamle spektre af ubehandlet og behandlede jordprøver. Først kontrollere, at baggrunden spektrum indsamlet tidligere (Se 4.1.2.3.4) bruges. Klik på eksperimentel opsætning. Vælg Brug angivne baggrund fil under fanen indsamle og indlæse filen baggrund spektrum. Klik på Ok for at gemme ændringer. For at påbegynde spektrale indsamling på jorden, skal du klikke på Indsamle prøven.
        Bemærk: Re-load samme prøve i en anderledes godt eller prøve kop til at indsamle Repliker spektrene for at tage højde for spredning artefakter fremstillet af overfladeruhed og variabilitet i matrix tæthed.
  2. Udføre spektrale fradrag.
    Bemærk: subtraktion faktor (SF) vejer graden som absorptioner i mineralske referencespektret trækkes fra absorptioner på den tilsvarende wavenumber i spektret af ubehandlet jorden. Det anbefales for fradrag fokuseret på at forbedre opløsning af organisk absorptioner at karakterisere SOM, at udnytte helhed af MIR i de fleste spektrometre (fx, 4.000 til 650 eller 400 cm-1, afhængig af detektoren). De næste trin beskriver en empirisk metode til bestemmelse af SF. Alle software betegnelser er specifikke for den valgte software og vil skulle tilpasses til andre software.
    1. Nul ud toppe ved hjælp af indstillingen subtraktion af softwareprogrammet ændre subtraktion faktor (SF) for at minimere eller reducere en mål mineral toppe og/eller mineral toppe og/eller til at maksimere en lineær baseline14.
    2. Samtidigt vælge ubehandlet og behandlede jord spectra og klik på ikonet Subtraher (øverst i midten af skærmen); den første spectrum valgt (ubehandlet jord) bliver det spektrum, som den anden spektrum (behandlede jord) vil trækkes.
    3. Bruge den lodrette toggle bar eller pile at forøge eller formindske SF (venstre af skærmen). Observere ændringer i den viste subtraktion spektrum.
      1. Bruges denne iterative funktion til at bestemme en passende SF som beskrevet i Repræsentative resultater. Den numeriske SF værdi vises i midten af toggle-baren. Brug knapperne Finer og Coarser for at justere vifte af SF-værdier.
    4. Klik på Tilføj (øverste højre på skærmen) for at indlæse det beregnede subtraktion spektrum i et vindue.
      Bemærk: Da hovedparten af mineral absorptioner ikke er lineær med koncentrationen i de fleste (hvis ikke alle) jordprøver, det er normalt ikke muligt at fjerne alle mineralske toppe. Det anbefales, at mineral toppe anses for mindre tilbøjelige til at inversion (fx, kvarts-lignende Si-O på 2.100-1,780 cm-1)14 bruges som target peak til nul-out ved at justere SF.
    5. Registrere og rapportere metodologiske oplysninger om hvordan subtraktion var udført med tilstrækkeligt detaljerede til at muliggøre uafhængig beregning af samme subtraktion spektret fra ubehandlet jord spektrum, herunder: (1) wavenumber regionen anvendes til subtraktion, (2). SF eller vifte af SFs anvendte, og (3) (mineralske) peak eller region indskyde nemlig nul-ing ud.
      Bemærk: En god test af troværdigheden af en subtraktion er at få det udført på ny af den samme bruger og/eller uafhængigt af en anden bruger ved hjælp af parametrene, der rapporterede subtraktion.
  3. Fortolke spektre.
    1. Udføre spektrale fortolkning ved hjælp af forskellige ressourcer til rådighed til at analysere og fortolke de resulterende subtraktion spektre, i bestemte tildelinger af absorptioner til økologisk funktionelle grupper4.
      Bemærk: Andre anvendelser af subtraktion spectra omfatter multivariat analyse (f.eks., principal komponent analyse), chemometric forudsigelse af jord analysander27, og endda retsmedicinske fingeraftryk9.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Metoden SOM fjernelse har praktisk såvel som teoretisk betydning for fortolkningen af subtraktion spektre. For eksempel mineralsk ændringer fra høj temperatur foraskning kan manifestere sig som tab eller optrædener af toppe og/eller som flyttet eller udvidet toppe i de mineralske referencespektrum. Disse spektrale artefakter er tilbøjelige til at forekomme i områder af overlapning med økologisk bands på 1.600-900 cm-1,22 at kompromittere fortolkning af økologisk bands. Fælles ændringer af mineral bands efter høj temperatur foraskning (≥ 550 ° C) er tydeligt i figur 2 og omfatter tab af OH toppe på 3.700-3.600 cm-1, og peak tab og forskydninger i gitter Si-O og Al-O toppe på 1.050-800 cm-1. På den anden side SOM fjernelse af at bruge kemiske oxidation tendens til at bevare mineral funktionelle grupper og dermed risikerer færre artefakter (Se diskussion). Men det kommer typisk til en pris af lavere SOM fjernelse28, som det fremgår for eksempel jord (tabel 2). Dette begrænser fortolkning af økologisk funktionsgruppe sammensætning i subtraktion spektrum til mindre end den samlede SOM pool.

Kemiske oxidationer kan være et attraktivt alternativ til foraskning for boligtekstiler mineral baggrunde, fordi de generelt bevare mineral struktur og dermed undgå kunstig absorbans funktioner i reference spectra og dermed den resulterende subtraktion spektrum14,22. For eksempel, jord en tabt 89% af jordens organiske kulstof (SOC) af NaOCl oxidation i forhold til 97% af foraskning (tabel 2) samtidig bevare mineral absorbans funktioner ændres ved foraskning (figur 2). På den anden side karakteriseret ukomplet og potentielt selektiv fjernelse af SOM betyder, at NaOCl-resistente organisk materiale ikke bliver5,29,30, der kræver omhyggelig fortolkning af subtraktion spektrum14. Kvantificere SOM kan tab med hver yderligere oxidation behandling udført bruges til at identificere det optimale antal oxidative behandlinger for SOM fjernelse. Evaluering af metoden eksempel oxidation bruger NaOCl viste at SOM fjernelse plateaued efter 3 oxidation skridt uanset om SOM indholdet af prøverne var lav (< 2% C) eller høje (36% C). Med hver efterfølgende oxidation skridt, farven af supernatanten er sandsynligt, at ændre fra forskellige nuancer af lilla/sort/orange til lysere brunlig-rød indtil den oprindelige grønlig-gul farve af blegemiddel (dvs. ureageret fortyndet NaOCl).

Slibning for at reducere og homogeniseres jord partikelstørrelse kan forbedre spektrale kvalitet ved at reducere lysspredning fra store partikler og inversion af stærkt absorberende komponenter31. Om en maksimal partikelstørrelse af 250-100 µm har været betragtet som optimal at minimere sådanne artefakter32, tyder de seneste vurderinger på, at slibning ud over 2000 µm ikke nødvendigvis forbedre spektrale kvalitet for chemometric forudsigelser33, 34. Dog mere fint jorden jordprøver kan stadig give bedre (skarpere) absorbans toppe og udstille faldt absorbans variabilitet33, som forventes at gavne spektrale fradrag. På den anden side, har nogle undersøgelser fundet, at slibning (f.eks.til 200 µm) kan fremkalde mere heterogenitet i partikelstørrelsesfordeling end standard sigtning (fx, 2.000 µm)35,36. Virkningen af dette på spektrale kvalitet er tilbøjelige til at afhænge af eksperiment mål (fx, fortolkning af absorbans bands, chemometric forudsigelse af C brøker) og jordens egenskaber (f.eks., tekstur, mineralogi)29. Det anbefales, at virkningerne af slibning størrelse på subtraktion spectra vurderes for et givet sæt af jordbund og mål. Behandlede jordprøven bruges til mineralske referencespektret forventes at få finere partikelstørrelse end den tilsvarende ubehandlet jord på grund af afbrydelse af aggregater af SOM fjernelse.

Pæn (ufortyndet) jordprøver er udbredt i brugen af DRIVGARN spektroskopi på grund af større lethed i analyse og højere overførselshastighed. Prøveopløsning er traditionelt udført for høj renhed prøver ved hjælp af infrarød-usynlige Halogenid salte (fx, KBr, NaBr, KI). AFDRIFT spektroskopiske karakterisering af den organiske komponent i jord, men er Halogenid salt fortynding mindre fordelagtige. Dette skyldes, at fortynding af prøver tendens til at forbedre opløsning af absorptioner for dominerende (mineralske) komponenter, men ikke nødvendigvis dem, der repræsenterer mindre (økologisk) komponenter5,37. Dog kan der være fordele til fortynding af jordprøver, der kan evalueres empirisk for hver prøve5.

For at illustrere rollen af subtraktion faktor (SF) i udfører spektrale fradrag, overveje subtraktion spectra fremstillet til jord en ved hjælp af spektret af NaOCl oxideret jord som reference (figur 3). Da SF stiger fra 0 til 1, absorbansen af bands svarende til mineraler falde, især mineralsk overflade O-H på 3,618 cm-1 og Si-O på 1.880 og 808 cm-1. Samtidigt, stræk absorbans stigninger for bands som repræsenterer økologisk funktionelle grupper såsom alifatiske C-H på 2.920 cm-1 og potentielt akrylamid C-N og N-H og/eller aromatiske C = C på 1,558 cm-1. Med stigende skalering af SF, men, opstå omvendinger af mineralske absorptioner som Si-O på 2100-1780 cm-1 . Som NaOCl oxidation fjernet 89% af samlede SOC i en jord med 2,2% C (tabel 1, 2), og eftersom der SOM skønnes for at være 58% C38, en teoretisk SF af 0,97 kan beregnes. Men, ikke-linearitet absorbans resultater i over subtraktion af mineralske egenskaber ved hjælp af denne SF (figur 3).

En mere praktisk tilgang er at driftsmæssigt bestemme SF baseret på fjernelse af et mineral absorbans funktion af 'canceling' eller nul-ing ud en target kromatografiske. Quartz-lignende Si-O funktioner på 2100-1780 cm-1 er egnet mål mineral absorptioner fordi de skyldes grundlæggende Si-O vibrationer, der er mindre modtagelige for specular reflektion14,37. For eksempel, i figur 3, nul-ing af kvarts Si-O på 2.100 - 1,780 cm-1 tyder på en SF i intervallet 0,7 - 0,8 til at være mere egnet til at reducere de dominerende mineral absorptioner end den forudgående SF af 0,97 beregnes ud fra forskellen i masse (dvs.SOM fjernet) mellem to Jordprøverne.

Potentielle faldgruber ved at vælge en SF omfatter inversion og oversubtraction, begge fremgår af negative toppe, der ligner en upside-down peak eller "W" figur14eller stærk subtraktion, et spejlbillede af ubehandlet jord spektrum. Inversioner kan ikke være muligt at undgå helt, da disse er fælles for Si-O på 1.150-800 cm-1, men kan minimeres. Inversioner bemærkes som en region ikke-grata for spektrale fortolkning22,39 , fordi i disse regioner kan absorbans afspejler, hvordan subtraktion blev udført mere så end absorbere komponenter, især for mindre vælgere som OM.

Spektrale software ledsager moderne FTIR spektrometre kan være nyttig til at vejlede og udføre fradrag. Nytten af sådan software ligger i realtid og iterativ justering af SFs mens du ser den resulterende subtraktion spektrum. Standard SF foreslog spektrale software bør betragtes med forsigtighed, fordi software kriterier ikke kan være egnet til eksperiment mål og prøver som jord (f.eks., ikke-lineære absorbans, inversion af mineralske egenskaber). For eksempel, den særlige software bruges til at beregne subtraktion spektre i figur 3 (Se tabel af materialer) foreslog en SF af 1,45, baseret på linearisering af baseline i den resulterende subtraktion spektrum40, som savner den Formålet med nul-ing ud af Si-O på 2100-1780 cm-1 for fortolkning af økologisk absorptioner på 1.800-1.000 cm-1. Det er vigtigt at bemærke, at SF foreslog af software er også påvirket af wavenumber området valgt til subtraktion, fordi softwaren optimerer en subtraktion for den definerede spektrale region. Yderligere fordele ved software omfatter spektrale forarbejdning transformationer (fxKubelka-Munk, strømfunktioner) for at forbedre spektrale kvalitet (fx, lineære basislinjer) inden du udfører fradrag.

Den mineralske referencespektrum kan indeholde absorbans funktioner påvirket af metoden for SOM fjernelse, med konsekvenser for at gennemføre og fortolke spektrale fradrag. Sammenligning af forskelle blandt ubehandlet og glødet mineral reference spektre (figur 2) kan hjælpe med at identificere, hvilke af disse funktioner kan være på grund af artefakter af SOM fjernelse. I modsætning til NaOCl oxidation, foraskning produceret ændringer i absorbans bands der repræsenterer mineral funktionelle grupper, navnlig phyllosilicate overflade og farvningen O-H (3,700-3.600 cm-1), Al-OH (915 cm-1), og Si-O (796, 521 cm-1) . Quartz-lignende Si-O bands (2.100-1,780, 1,159 cm-1) ikke udviser markante ændringer i absorbans (intensitet eller wavenumber) til enten behandling.

Et eksempel på overdreven subtraktion og risikoen for uidentificerede artefakter som følge af metoden SOM fjernelse af valg er vist for foraskning ved 550 ° C i figur 4. Selv om nul-ing ud kvarts-lignende Si-O på 2.100-1,780 cm-1 opnås med en SF af 0,76, tyder en fremtrædende W-formet inversion på 1.100-450 cm-1 på, at fortolkningen af subtraktion spektret bør begrænses til > 1.200 cm-1. Som reference blev spektrum opnået ved høj temperatur foraskning, tab af mineral overflade OH på 3.700-3.600 cm-1 (Se figur 2) betyder, at disse skarpe toppe er en artefakt, der ikke bør være et mål til nul ud. Forsøg på at gøre det vil sandsynligvis bringe andre spektrale regioner. For eksempel ikke genkender funktionen på 3700-3600 cm-1 som et artefakt kunne motivere brugeren til at øge i SF til at reducere (SF = 1,24) eller forsøg på at nul ud (SF = 1,51) denne genstand på bekostning af over fratrække de resterende spektrale regioner, herunder økologisk absorptioner på 1800-1200 cm-1 (figur 4).

Det er også muligt at over fratræk mineral referencespektret, som i et forsøg på at forbedre en specifik band uden at overveje virkningerne på andre spektrale regioner (figur 5). Mens dette kan begrundes i eksperimentel mål (Se diskussion), gengiver eksemplet i figur 5 styrke alifatiske C-H stræk på 3000-2800 cm-1 'for enhver pris' den resterende del af spektrene, uninterpretable, herunder regionen svarende til fleste af økologisk funktionelle grupper relevante for SOM karakterisering på 1.800-1.000 cm-1. En indikator for overdreven subtraktion er uddybning inversion af spektrale egenskaber ud over inversion-liggende Si-O bands som SF stiger fra 0,81 til 1,35 til 1,72. Omvendt, ufuldstændig fjernelse af disse mineralske målzoner betyder, at SF er sandsynligvis utilstrækkelig som bevis for subtraktion udføres med en SF af 0,32. En SF af 0,81 ideelt nul-outs mål Si-O byder på 2.100-1,780 cm-1 samtidig minimere inversioner.

Sammenligning af subtraktion spectra beregnes fra reference spectra fremstillet ved høj temperatur foraskning og kemiske oxidation angive fælles funktioner forbedret ved subtraktion på 1.750-1.350 cm-1 skyldes organiske funktionelle grupper, men også udviser forskelle som følge af ændring af mineraler og potentielt mængden af SOM fjernet (figur 6). Bemærk, at en lignende SF blev opnået til fradrag ved hjælp af et mineral reference fremstillet ved foraskning (SF = 0,76, figur 4) versus NaOCl oxidation (SF = 0,81, figur 5). For en given metode af SOM fjernelse, forskellene er visuelt tydeligt mellem subtraktion spektre af høj og lav organisk materiale jorde, der er mindre synlige eller fraværende i ubehandlet jord spektre (figur 6), svarende til alifatiske C-H (stretch) på 2916 cm-1, og keton og AMID C = O med mulige bidrag af konjugeret C = C på 1,647 cm-1, AMID C-N og N-H på 1,568 cm-1, alifatiske C-H (bøje) på 1,427 cm-1, og phenol og/eller carboxyl C-O på 1.275 cm-1. Det er vigtigt at subtraktion spektre forstås som en operationel metode til at vurdere relative ændringer i absorptioner, der kan tildeles til økologisk funktionelle grupper med varierende bestemt afhængigt af prøven type og absorbans vifte (grund potentielt overlappende bands)4.

Figure 1
Figur 1. Illustration af spektrale subtraktion at øge økologiske bands bruger en baggrund spektrum af samme jord efter SOM fjernelse af kemisk oxidation (NaOCl). AFDRIFT spectra blev indsamlet uden KBr fortynding jordprøvens. Jordbunden er en Mollic Xerofluvent under landbrugsmæssige udnyttelse i Sacramento Valley of California (22 mg C g-1 jord). Subtraktion spectra blev beregnet med en subtraktion faktor på 1.0. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2. Sammenligning af mineral-beriget baggrund eller reference spectra til at udføre spektrale fradrag opnået af forskellige SOM hårfjerning metoder. Sammenligninger af behandlede og ubehandlede jord er vist for en overflade horisont (Ap) af en Mollic Xerofluvent dannet på blandet aflejringer i Californien, USA (22 mg C g-1). Spectra svarer til den oprindelige jord uden behandling (top), efterfulgt af jord efter SOM fjernelse behandlinger af kemisk oxidation (NaOCl) (i midten) og høj temperatur forbrænding (550 ° C) (nederst). AFDRIFT spectra blev indsamlet på jordprøver uden KBr fortynding. Grå bokse fremhæve mineral absorbans bands karakteristisk for jord spektre, centreret på 3620 cm-1, 1870 cm-1 og 800 cm-1. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3. Eksempel på stigende subtraktion faktor (SF) på 0,1 intervaller fra 0,1 (minimal subtraktion) til 1,0 (lig subtraktion af oprindelige jord spektrum og referencespektrum). SF vejer graden som referencespektrum (jord A efter opvarmning ved 550 ° C til 3 h) trækkes fra den oprindelige (ubehandlet) jord spektrum (jord A). Som subtraktion faktor falder, absorbans bands svarende til mineraler øge (3,618 cm-1, 1.880 cm-1, 808 cm-1), og bands der repræsenterer organics falde (2.920 cm-1, 1,558 cm-1, 1.240 cm-1 ). AFDRIFT spectra blev indsamlet på jordprøver uden KBr fortynding. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4. Eksempler på overdreven subtraktion og risikoen for uidentificerede artefakter som følge af metoden SOM fjernelse (foraskning ved 550 ° C). Selv med nul-ing ud kvarts-lignende Si-O på 2.100-1,780 cm-1 (grå boks) (SF = 0,76), en fremtrædende W-formet inversion på 1100-450 cm-1 (pile) antyder fortolkning af subtraktion spektret bør begrænses til > 1200 cm-1. Da referencespektret blev fremstillet ved høj temperatur foraskning (550 ° C), tab af mineralske overflade OH på 3.700-3600 cm-1 (grå boks) (Se figur 2) angiver, at denne top er et sandsynligt en artefakt. Genkender ikke funktionen på 3.700-3.600 cm-1 , som en genstand kan vildlede brugeren til at øge SF at reducere (SF = 1,24) eller nul ud (SF = 1,51) denne spektrale funktion på bekostning af oversubtracting de resterende spektrale regioner, herunder økologisk absorptioner på 1.800-1.200 cm-1. Yderligere artefakter fra foraskning omfatter en funktion på 2300 cm-1 (pil). AFDRIFT spectra blev indsamlet på jordprøver uden KBr fortynding. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5. Eksempler på ideelle og ikke ideelle subtraktion spectra ved hjælp af et mineral reference fremstillet ved NaOCl oxidation. Utilstrækkelig subtraktion (lav SF = 0,32) betyder, at fremtrædende mineral absorptioner (grå bokse) er stadig til stede. Stigende SF til nul ud af quartz-lignende SiO på 2.100-1,780 cm-1 (SF = 0,81) skaber en balance mellem kriterierne for at fjerne denne mineralske absorbans som en proxy for mineralske overlapning på 1.800-1.000 cm-1, minimere omvendinger af Si-O < 1.100 cm -1, og opretholde en lineær baseline. I et forsøg på at forbedre yderligere alifatiske C-H-strækning på 3.000-2.800 cm-1, SF forhøjes (til 1,35 eller 1,72), men dette medfører oversubtraction i varierende grad. Spectra blev indsamlet på pæn (ingen KBr fortynding) prøver af DRIFT spektroskopi. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6. Parret sammenligning af DRIFT spektre af høj (øverst) og lav (nederst) organisk materiale jord fremvisning spektrale fradrag potentiale til at forbedre fortolkningen af økologisk absorptioner i forhold til de oprindelige jord spektre. Forskelle i absorptioner svarende til mineral (grå boks) og økologiske (stiplet linje) absorbans bands er tydelige mellem høj og lav SOM jord og/eller blandt de tre sæt spektra: spektre af de oprindelige (ubehandlet) jord, og spektre fremstillet ved fratrække et mineral reference fra ubehandlet jord spektrum, bruger en mineral-beriget jord for mineralske referencespektret opnås ved termisk forbrænding ('blinke') eller kemisk oxidation. Økologisk absorptioner, som afviger mellem høj og lav SOM prøver kan tilskrives alifatiske C-H (2,916 cm-1), keton og/eller akrylamid C = O med mulige bidrag af konjugeret C = C (1,647 cm-1), AMID C-N og N-H og/eller muligt aromatiske () C = C 1,568 cm-1), alifatiske C-H (1,427 cm-1), og carboxyl og/eller phenol C-O (1.275 cm-1). Jord er fra Ap horisont for Entisols dannet fra blandet aflejringer i Sacramento Valley (Californien, USA). Spectra blev indsamlet prøver, pæn (ingen KBr fortynding). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Jord SOM
indhold		 SOC
(mg g-1)		 C:N pH
(1:2, vand)		 ler
(mg g-1)		 sand
(mg g-1)
A Høj 22 9.4 6.5 166 133
B Lav 7 9.3 6.7 126 451
SOC, organisk kulstof i jorden; C:N, kulstof til nitrogen ratio

Tabel 1. Egenskaber af jordtyper, der bruges til at vise metoder til spektrale subtraktion at forbedre karakterisering af SOM bruger DRIVGARN spektroskopi. Jord af lignende mineralogi men udviser forskelle i organisk stof koncentration. Jord blev samplet fra Ap horisont for Entisols dannet på blandet aflejringer i Sacramento Valley i Californien, USA.

Jord OM
indhold		 SOC
(mg g-1)		 SOC tab (%)
NaOCl-ox glødet
(500 ° C)
A Høj 22 -89.1 -96.5
B Lav 7 -82.5 -97.2
SOC, organisk kulstof i jorden; NaOCl-ox, natriumhypochlorit oxideret

Tabel 2. Eksempel på forskellige satser for fjernelse af SOM forbrænding versus kemisk oxidation. Jordprøver behandlet for at fjerne organisk stof bruges til at erhverve en mineral-beriget referencespektrum til at udføre spektrale fradrag for at forbedre karakterisering af SOM funktionelle gruppe sammensætning ved hjælp af DRIFT spektroskopi.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Metode til at fjerne SOM bærer to betragtninger: 1) mængden af SOM fjernet, og 2) absorbans artefakter i den resulterende mineral reference spektrum. Det er heldigvis muligt — og velsagtens nødvendigt — at identificere og mængde disse spørgsmål for at undgå partiske fortolkninger af SOM komposition fra den resulterende subtraktion spektrum. Ideelt, spektrale fradrag ville ansætte en mineral-only referencespektrum at give et spektrum af 'ren' SOM. I virkeligheden udstiller den resulterende subtraktion spektrum absorptioner svarende til SOM der er forbedret i forhold til den oprindelige (ubehandlet) jord spektrum. Dette skyldes, at ikke-lineære absorbansen af mineralske komponenter i jordprøver forhindrer komplet subtraktion af alle mineral absorptioner. Kunstig mineral absorptioner og/eller ufuldstændig fjernelse af SOM begrænse fortolkning af specifikke absorbans funktioner eller fortolkning af den samlede SOM pool, henholdsvis.

Som det fremgår af eksemplerne her, de to almindelige metoder til at fjerne SOM for at få mineral reference spektre (termisk forbrænding eller foraskning og kemiske oxidation) har tendens til at skabe en trade-off mellem graden af SOM fjernelse og spektral artefakter. Disse har forskellige konsekvenser for fortolkningen af subtraktion spektre. Af samme grund at det bruges i tab på tænding (LOI) metode til at anslå SOM indhold, høj temperatur foraskning (≥ 350 ° C) fjerner næsten alle SOM men er tilbøjelige til at ændre krystallinsk mineral strukturer og dermed producere ændringer i mineralske absorbans bands. Som illustreret her, vil disse åbenbart som artefakter i subtraktion-spektrum, hvis spektrale bidrag fra mineraler før og efter foraskning afviger. Den termiske følsomhed af mineraler, som kan være mineral-specifikke, styrker et kompromis på nytten af spektrale fradrag beregnes med reference spektre som foraskningen, især ved høje temperaturer (f.eks., 550 ° C). Mineralske ombygninger specifikke for mineralske type og foraskning temperatur omfatter dehydroxylation, farvningen sammenbrud og dehydrering41,42,43, og er blevet dokumenteret i spektre af jordtyper af forskelligartet mineralogi 10 , 28 , 44 , 45.

Oplysninger om mineralogi af en jordprøve kan bruges på forhånd at bestemme en foraskning temperatur, der undgår eller minimerer mineralske ændring (f.eks., farvningen sammenbrud af kaolinit på eller over 350 ° C). Mineralske artefakter kan identificeres og ventede ved at underkaste en jordprøve foraskning på varierende temperaturer og sammenligne de deraf følgende spektre med spektre af ubehandlet jord og ren mineral standarder10,46. Man kan også begrænse sample sæt mineralogi for at opretholde subtraktion artefakter, der skyldes foraskning konstant på tværs af jordprøver. Endelig, lavere foraskning temperaturer (f.eks., 350 ° C) kan bruges til at forbedre nogle økologiske bands10,47. Svarende til kemiske oxidationer, brug af lavere temperaturer generelt kommer til en pris af lavere28 (tabel 2) og potentielt selektiv10 SOM fjernelse.

Kemiske oxidationer generelt er mindre tilbøjelige til at forårsage mineralske ændring, navnlig for phyllosilicates, men kan påvirke andre mineralske fraktioner som jernoxider (hydr). Hvis kendt, bør mineralogi af jordprøver overvejes, når du vælger en oxidant. For eksempel kan natriumhypochlorit fjerne relativt store mængder af SOM med minimal eller ingen opløsning af mineralske oxider, i modsætning til andre oxiderende stoffer (fx, hydrogenperoxid)48,49,50 , 51. der forventes at afhænge af mineralogi og/eller SOM disse virkninger (f.eks.en høj andel af mineral-bundet organisk materiale kan være mere modstandsdygtige over for nogle, men ikke andre oxidationer).

Grunden til nul-ing ud målzoner mineral er en bedre strategi end stole på software-beregnet eller forhånd SFs er, at disse skal måske justeres, hvis mineral målzoner ikke fjernes fuldt ud. Da dette er fælles for mineralske bands på grund af høje phyllosilicate koncentrationer i jordprøver og dermed ikke-lineære absorbans i spektre (f.eks., Si-O strækning på 1.100-950 cm-1)22, især for den udbredte praksis med at analysere pæn prøver (ingen Halogenid salt fortynding), justering af SF bør undersøges for at minimere mineral bands som eksperimentelle mål.

Spektrale fradrag giver en markant forbedring på muligheden af jord spectra skal bruges til at fortolke økologisk funktionelle grupper, at komponerer SOM ved at forbedre interpretability af økologisk absorptioner i regioner med overlappende mineral absorptioner. Selv økologiske bands selv at være relativt mineral-fri kan drage fordel af spektrale fradrag. For eksempel, alifatiske C-H stræk på 3.000-2.800 cm-1 er anses for at være den mindste mineral forvirret økologisk band i jord spectra22, men beslutningen kan stadig forbedres markant med spektrale fradrag52. Udfordringer til fortolkning af FTIR spektre af en kemisk komplekse prøve såsom SOM ikke bør være smelter sammen med begrænsningen af metoden eller dens ændringer (f.eks., fradrag) fordi sådanne kompleksitet er en iboende egenskab af SOM, som også udfordrer andre spektroskopiske metoder (fx, Kernemagnetisk resonans-spektroskopi)1,5.

Spektrale fradrag tilbyder en unik strategi til adresse begrænsninger iboende spektroskopisk analyse af SOM FOELGER mineral dominans af jordprøver og med stærke komplementaritet med andre metoder med deres egne forskellige begrænsninger5, 14. For eksempel, er en separat tilgang til at forbedre FTIR spektroskopi analyse af SOM forbehandling af jord med flussyre (HF) til at fjerne et flertal af komponenten mineral. Da demineralisering af jordprøver er rutine for NMR spektroskopisk analyse, analyseres de samme HF-behandlet jord, ofte også af FTIR spektroskopi. Dog kan demineralisering med HF skabe betydelige tab af SOM at kompromittere sin nytte som en stand-alone tilgang53,54. For eksempel, blev næsten en tredjedel af SOM jord A (tabel 1 og 2) fjernet under HF behandling5.

Det er vigtigt at bemærke, at nytten af fradrag for analyse af jord er at øge potentielle økologiske bands af interesse på en særlig wavenumber(s) i stedet giver en komplet subtraktion af alle blander mineral absorptioner55, 56,57,58. Af denne grund, kan fradrag være mere eller mindre egnet til særlige spektrale regioner. Nguyen et al. 4 erkendt, at fradrag var sandsynligvis vil være mest nyttig til at forbedre økologiske bands på 1.800-1.600 cm-1, som Reeves III22 diagnosticeret som en spektral region som nøjagtige fradrag var muligt selv med artefakter fra reference spectra fremstillet ved høj temperatur foraskning. Mineralske Si-O absorptioner i denne region fratræk præcist, i modsætning til andre regioner (f.eks., 1.000-400 cm-1) ikke-lineære absorbans og omvendinger af mineralske bands som Si-O på 1.050-980 cm-1 37 ,59.

Et potentielt frugtbare område af fremtidige arbejde er at systematisk adresse jordegenskaber forventes at medføre prøve-specifikke artefakter indført ved metoden af SOM fjernelse. Den vigtigste udfordring for spektrale fradrag er vanskeligheden ved at opnå en mineral referencespektrum, der har nær eller fuld SOM fjernelse endnu minimal eller ingen artefakter fra SOM fjernelse. Nuværende metoder af høj temperatur foraskning og kemiske oxidation skabe en trade-off mellem disse to mål. At identificere mineralogi-specifikke artefakter kan spores i FTIR spectra på tværs af en vifte af SOM ville fjernelse betingelser samt jordtyper og rene mineralske standarder, være et første skridt i retning af oprettelse af jord-specifikke anbefalinger22. Alternative SOM hårfjerning metoder har endnu skal undersøges systematisk. Lovende hårfjerning metoder omfatter lav temperatur foraskning (ofte udføres under lavt tryk) og kemiske oxidationer, hydrogenperoxid og natrium peroxodisulphate14.

Spektre af jord demineraliseret ved hjælp af HF kan bruges til at sammenligne subtraktion spectra fremstillet af forskellige metoder. HF kan bruges til at opløse og fjerne et flertal af de mineralske komponent af jordprøver, giver et SOM-beriget prøve. Da spektret af en HF-behandlede jordprøve i teorien bør svare til en subtraktion spektrum af samme jord ved hjælp af mineralske referencespektrum fremstillet ved fuld fjernelse af SOM, sammenligne spektre af SOM fremstillet ved HF demineralisering versus subtraktion kunne bruges til cross-validere absorbans bands, finde artefakter og øge tilliden til spektrale tildelinger5, navnlig i de regioner, der er udsat for subtraktion artefakter via inversion (< 1.200 cm-1). Ufuldstændig og/eller selektiv fjernelse af mineralske og organiske komponenter under HF behandling betyder imidlertid, at spektre af HF-behandlet jord ikke kan tilbyde en 'mål' spektrum af SOM, kun en operationel sammenligning, som ikke ulig spektrale fradrag, skal overvejes nøje i lyset af potentielle artefakter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Vi sætter pris på vejledning fra Dr. Randy Southard på NaOCl oxidation og forskellige diskussioner af spektrale fradrag med Dr. Fungai F.N.D. Mukome.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Nicolet iS50 spectrometer Thermo Fisher Scientific 912A0760 infrared spectrometer used to collect spectra
EasiDiff Pike Technologies 042-1040 high throughput sample holder
OMNIC Thermo Fisher Scientific INQSOF018 software used to perform subtractions
6% v/v sodium hypochlorite Clorox n/a generic store-bought bleach for oxidative removal of soil organic matter
Type 47900 Furnace VWR International 30609-748 muffle furnace for ashing soils to removal soil organic matter
VWR Gooch Crucibles, Porcelain  VWR International 89038-038 crucibles for ashing
VWR Tube 50 mL Sterile CS500  VWR International 89004-364 for sodium hypochlorite
Forced air oven VWR International 89511-414 for drying soils after oxidation and water washes
VersaStar pH meter Fisher Scientific 13 645 573 for measuring pH of oxidation solution

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Miljømæssige videnskaber spørgsmålet 143 jord jordbundens organiske materiale (SOM) Fourier transform infrarød (FTIR) spektroskopi diffuse Reflektionsgraden infrarød Fouriertransformation (DRIFT) oxidation natriumhypochlorit (NaOCl) spektrale subtraktion funktionel gruppe
Forbedring af infrarød spektroskopi karakterisering af jordbundens organiske materiale med spektrale fradrag
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Margenot, A. J., Parikh, S. J.,… More

Margenot, A. J., Parikh, S. J., Calderón, F. J. Improving Infrared Spectroscopy Characterization of Soil Organic Matter with Spectral Subtractions. J. Vis. Exp. (143), e57464, doi:10.3791/57464 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter