土壤有机质（SOM）是多种土壤功能和过程的基础，但其傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征常受到土壤矿物干扰的限制。本方法通过使用经验获得的矿物参考光谱，从土壤光谱中扣除矿物干扰，从而提高利用FTIR光谱法分析土壤有机质的实用性。
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摘要
摘要
土壤有机质（SOM）是多种土壤过程和功能的基础。傅里叶变换红外光谱（FTIR）可检测构成土壤有机组分的红外活性有机化学键。然而，由于土壤中有机质含量相对较低（通常按质量计<5%），且在中红外区（MIR，4,000–400 cm-1）矿物与有机官能团的吸收峰存在重叠，导致占主导地位的矿物吸收峰产生显著干扰，使得对SOM表征的光谱解读变得困难甚至无法进行。光谱减法是一种对光谱进行事后数学处理的方法，可通过数学方式去除矿物吸收信号，从而降低矿物干扰，增强对应于有机官能团的光谱区域的分辨率。该方法需要一个富集矿物的参考光谱，可通过从特定土壤样品中去除SOM后实验获得。将该富集矿物的参考光谱从原始（未经处理）土壤样品光谱中减去，即可得到代表SOM吸收特征的光谱。常见的SOM去除方法包括高温燃烧（“灰化”）和化学氧化。选择SOM去除方法时需考虑两个因素：（1）被去除的SOM量；（2）矿物参考光谱及其所得减法光谱中可能产生的吸收伪影。这些潜在问题应被识别并量化，以避免对SOM中有机官能团组成的光谱数据做出错误或有偏的解释。在去除SOM后，利用所得的富矿物样品采集矿物参考光谱。根据实验目标和样品特性，存在多种执行减法的策略，其中最重要的是减法因子的确定。所得减法光谱需结合前述方法学进行谨慎解读。对于许多含有大量矿物组分的土壤及其他环境样品，光谱减法在提升有机质组成FTIR光谱表征能力方面具有显著潜力。
引言
土壤有机质（SOM）在大多数土壤样品中质量占比虽小，但与土壤功能相关的多种性质和过程密切相关，例如养分循环和碳封存1. 表征土壤有机质（SOM）的组成是将SOM的形成与周转过程与其在土壤功能中的作用相联系的若干方法之一2,3表征土壤有机质（SOM）组成的一种方法是傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术，该方法可检测构成土壤及其他环境样品中有机质的官能团。例如羧基 C-O，脂肪族 C-H4然而，对于大多数土壤（通常）而言，由于矿物组分占主导地位，傅里叶变换红外光谱（FTIR）在揭示土壤有机质（SOM）官能团组成方面的应用受到挑战。 > 95%的质量）由于强烈的无机吸收峰，干扰或严重限制了有机吸收峰的检测与解析。
光谱减法为改进土壤样品中有机质的傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征提供了一种方法。通过从土壤光谱中扣除矿物吸收信号，可增强对土壤有机质（SOM）组成分析中目标有机官能团吸收峰的识别。
（图1）。
与标准傅里叶变换红外光谱法（即，土壤光谱）相比，光谱差减法的优势包括：
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方案
1. 准备用于未经处理的DRIFT光谱分析和土壤有机质去除的土壤
- 使用不锈钢筛网将土壤过筛至 < 2 mm（即“细土组分”）。
注意：本实验采用两种质地相似但总有机质含量相差近3倍的土壤（表1）。
2. 化学氧化法去除SOM：以NaOCl为例
- 将6% w/v的NaOCl溶液在搅拌条件下逐滴加入1 M HCl，并用pH计监测，调节pH至9.5。
注意：大多数市售漂白剂（例如，Clorox）在质量和浓度（通常为3-7% NaOCl v/v）上均适用，但其pH值会有所不同 > 12. 由于次氯酸钠（NaOCl）对有机质的氧化作用具有pH依赖性，因此建议在土壤样品处理中使用pH 9.5的条件19,23有必要调整大多数市售漂白剂的pH值。 - 在50 mL锥形管中，将25 mL次氯酸钠溶液（6% w/v，pH 9.5）加入4 g土壤（过筛、风干）中，通过超声处理混合（600 s，输出频率20 kHz，功率200 W）。
- 将混合物置于热水浴中孵育（80 °C，15 分钟），以提高氧化速率。
- 离心以获得澄清的上清液（例如，4,000 × g 离心....
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结果
SOM 去除方法对差减光谱的解析具有实际和理论上的双重意义。例如，高温灰化引起的矿物变化可能在矿物参考光谱中表现为峰的损失或出现，以及峰的位移或展宽。这些光谱伪影容易出现在与有机谱带重叠的 1,600–900 cm-1 区域22，从而干扰对有机谱带的解析。高温灰化（≥ 550 °C）后矿物谱带的常见变化如图2所示，包括在 3,700–3,600 cm-1 处 OH 峰的消失，以及在 1,050–800 cm-1 范围内晶格 Si-O 和 Al-O 峰的减弱或位移。另一方面，采用化学氧化法去除 SOM 通常能够较好地保留矿物官能团，因而产生的伪影较少（见讨论）。然而，这种方法通常以较低的 SOM 去除率为代价28，这一点在示例土壤中已有体现（表2）。这限制了通过差减光谱对有机官能团组成的解.......
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讨论
去除土壤有机质（SOM）的方法需考虑两个方面：1）被去除的SOM量；2）所得矿物参考光谱中的吸光度伪影。幸运的是——甚至可以说有必要——识别并量化这些问题，以避免对所得差减光谱中SOM组成的解释产生偏差。理想情况下，光谱差减应采用仅含矿物的参考光谱，以获得“纯”SOM的光谱。实际上，所得的差减光谱中对应于SOM的吸光度相对于原始（未经处理）土壤光谱是增强的。这是因为土壤样品中矿物组分的非线性吸光特性导致无法完全扣除所有矿物吸光度。伪影性的矿物吸光特征和/或SOM去除不完全，分别限制了对特定吸光特征或对总SOM库的解释。
如本文所示例，去除土壤有机质（SOM）以获得矿物参考光谱的两种常用方法（高温燃烧或灰化法与化学氧化法）往往在SOM去除程度与光谱伪影之间存在权衡。这对差减光谱的解释具有明显影响。与灼失量（LOI）法用于估算SOM含量的原理相同，高温灰化（≥ 350 °C）几乎可完全去除SOM，但可能改变矿物晶体结构，从而导致矿物吸收峰发生变化。如本文所示，若灰化前后矿物的光谱贡献存在差异，则这些变化将在差减光谱中表现为伪影。矿物的热敏感性具有矿物特异性，这限制了基.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
我们感谢 Randy Southard 博士在 NaOCl 氧化反应方面的指导，以及 Fungai F.N.D. Mukome 博士在光谱减法方面的各种讨论所提供的帮助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Nicolet iS50 光谱仪 | Thermo Fisher Scientific | 912A0760 | 用于采集光谱的红外光谱仪 |
| EasiDiff | Pike Technologies | 042-1040 | 高通量样品支架 |
| OMNIC | Thermo Fisher Scientific | INQSOF018 | 用于进行光谱扣除的软件 |
| 6% v/v 次氯酸钠 | Clorox | n/a | 市售普通漂白剂，用于氧化去除土壤有机质 |
| Type 47900 马弗炉 | VWR International | 30609-748 | 用于灰化土壤以去除土壤有机质的马弗炉 |
| VWR Gooch 坩埚，瓷质 | VWR International | 89038-038 | 用于灰化的坩埚 |
| VWR 50 mL 无菌试管 CS500 | VWR International | 89004-364 | 用于盛装次氯酸钠溶液 |
| 鼓风干燥箱 | VWR International | 89511-414 | 用于氧化及水洗后土壤的干燥 |
| VersaStar pH 计 | Fisher Scientific | 13 645 573 | 用于测量氧化溶液的 pH 值 |
参考文献
- Schmidt, M. W. I., et al. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property. Nature. 478 (7367), 49-56 (2011).
- Masoom, H., et al. Soil Organic Matter in Its Native State: Unravelling the Most Complex Biomaterial on Earth....
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