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Amélioration de la spectroscopie infrarouge Characterization of Soil Organic Matter avec soustraction spectrale

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 sous-tend plusieurs processus et fonctions du sol, mais sa caractérisation par spectroscopie FTIR est souvent remis en cause par des interférences de minéraux. La méthode décrite peut augmenter l’utilité de SOM l’analyse par spectroscopie FTIR en soustrayant des spectres de référence minéraux minéraux interférences dans les spectres de sol à l’aide obtenues empiriquement.

Abstract

Matière organique du sol (SOM) sous-tend de nombreuses fonctions et processus pédologiques. Spectroscopie de transformée de Fourier transform infrared (FTIR) détecte infrarouge actif liens organiques qui constituent la composante organique des sols. Toutefois, la teneur en matière organique relativement faible des sols (communément < 5 % en masse) et le chevauchement d’absorbance des groupes fonctionnels organiques et minérales dans la région de (MIR) de l’infrarouge moyen (4 000-400 cm-1) engendrent une entrave importante de dominants absorbances minérales, contester ou même empêcher l’interprétation des spectres pour la caractérisation de SOM. Soustractions spectrales, un post-hoc de traitement mathématique des spectres, peuvent réduire interférence minéral et améliorer résolution des régions spectrales correspondant aux groupes fonctionnels organiques en enlevant mathématiquement les absorbances minérales. Cela nécessite un spectre de référence enrichie en minéraux, qui peut être obtenu empiriquement pour un échantillon de sol donné en enlevant som Le spectre de référence enrichie en minéraux est soustrait le spectre original (non traité) de l’échantillon de sol pour produire un spectre représentant les absorbances de SOM. Les méthodes courantes de suppression de SOM sont combustion à haute température (« incinération ») et l’oxydation chimique. Sélection de la méthode d’élimination de SOM transporte deux considérations : (1) le montant de SOM supprimé et artefacts d’absorbance (2) dans le minéral de référence du spectre et donc le spectre résultant de la soustraction. Ces problèmes potentiels peuvent et devraient, être identifiés et quantifiés afin d’éviter des interprétations fallacieuses ou biaisées des spectres pour composition de groupes fonctionnels organiques de soms. Après le retrait de SOM, l’échantillon enrichi en minéraux qui en résulte est utilisé pour recueillir un éventail de minéraux de référence. Plusieurs stratégies existent pour effectuer les soustractions selon les buts expérimentaux et les caractéristiques de l’échantillon, plus particulièrement la détermination du facteur de soustraction. Le spectre résultant de la soustraction nécessite une interprétation minutieuse fondée sur la méthode susmentionnée. Pour beaucoup de sol et autres échantillons environnementaux, contenant les éléments minéraux importants, soustractions ont fort potentiel pour améliorer la caractérisation spectroscopique de FTIR de composition de la matière organique.

Introduction

Matière organique du sol (SOM) est un constituant mineur en masse dans la plupart des échantillons de sol mais est impliquée dans plusieurs propriétés et traite des fonctions des sols sous-jacents, tels que les nutriments cyclisme et carbon sequestration1. Caractériser la composition du SOM est un des plusieurs approches pour relier formation SOM et chiffre d’affaires avec ses rôles dans le sol des fonctions2,3. Un moyen de caractériser la composition SOM est transformée de Fourier (FTIR) spectroscopie infrarouge, qui offre la détection des groupes fonctionnels qui constituent la matière organique dans les sols et autres échantillons environnementaux (p. ex., carboxyle C-O, aliphatique C-H) 4. Toutefois, l’utilité de la spectroscopie FTIR pour révéler la composition du groupe fonctionnel SOM est contestée par l’élément minéral dominant pour la majorité des sols (typiquement > 95 % masse) en raison de fortes absorbances inorganiques qui remettent en question ou sévèrement limite détection et interprétation des absorbances organiques.

Soustractions spectrales offrent un moyen d’améliorer la caractérisation spectroscopique de FTIR de matière organique dans des échantillons de sol. En soustrayant les absorbances minérales de la gamme de sol peut être utilisé pour améliorer les absorbances des groupes fonctionnels organiques d’intérêt dans l’analyse de la composition de SOM

(Figure 1).

Avantages de soustraction spectrale sur la spectroscopie FTIR standard (c'est-à-dire, les spectres de sol) sont :

(i) amélioré la résolution et l’interprétation des bandes d’absorbance organiques comparés aux spectres de sol normal. Bien que l’interprétation des groupes organiques dans les spectres de sol peut être effectuée en supposant que les différences relatives d’absorbance sont dues aux différences dans les groupes fonctionnels organiques, cela limite les comparaisons aux échantillons avec la même minéralogie et SOM relativement élevé contenu et peuvent être moins sensibles aux changements de groupes organiques, même ceux considérés comme relativement indemne de minéraux (par ex. aliphatiques stretch de C-H)5

(ii) l’analyse des sols au-delà des échantillons SOM élevés ou des extraits enrichis en matières organiques ou des fractions

(iii) mettre en évidence les changements induits par les traitements expérimentaux de mésocosme au champ échelles6

Des applications supplémentaires de soustractions spectrales en analyse FTIR de SOM incluent complétant la caractérisation structurale et moléculaire (par exemple, la spectroscopie RMN, spectrométrie de masse)5,7, identifier les composition de SOM enlevé par une extraction ou fractionnement destructeur8et composition de SOM empreintes digitales à des fins médico-légales9. Cette méthode s’applique à une grande variété de mélanges Organo-minéral au-delà des sols, sédiments10, tourbe11et charbon12,13.

Le potentiel des soustractions spectrales afin d’améliorer la caractérisation spectroscopique de FTIR de SOM est démontré à l’aide d’exemples d’élimination des matières organiques afin d’obtenir des spectres de référence minéral, et ensuite, à l’aide de ces minéraux de référence spectres, exécution et évaluation des soustractions spectrales idéales et non idéales. Cette démonstration met l’accent sur la réflexion diffuse infrarouges de Fourier des spectres (DRIFT) recueillis dans la région de l’infrarouge moyen (MIR, 4 000-400 cm-1), tel qu’il s’agit d’une approche généralisée pour l’analyse des échantillons de sol4.

Les méthodes de deux exemples de suppression de SOM pour obtenir un spectre de référence enrichie en minéraux sont combustion à haute température (i) (« incinération ») et (ii) chimique oxydation, l’utilisation diluée d’hypochlorite de sodium (NaOCl). Il est à noter que ce sont des exemples de méthodes d’épilation SOM couramment utilisés, plutôt que des recommandations normatives. Autres méthodes d’élimination de SOM peuvent offrir des artefacts minéraux réduits et/ou améliorations suppression des taux (par exemple, des cendres de basse température)14. Des cendres de haute température a été une des premières méthodes utilisées pour obtenir des spectres de référence enrichie en minéraux pour effectuer les soustractions, initialement pour échantillons enrichis OM dérivées des sols (p. ex., la matière organique dissoute, litière)15, 16 , suivi de son application au sol de vrac échantillons17,18. L’oxydation chimique exemple utilisée pour enlever le SOM est basée sur la méthode d’oxydation de NaOCl décrite par Anderson19. Cela a été développé à l’origine comme un prétraitement pour éliminer les matières organiques dans les échantillons de sol avant l’analyse de la diffraction des rayons x (DRX) et a été étudié comme un éventuel fractionnement chimique sensible à SOM stabilisation20, 21. enlèvement haute température et oxydation chimique à l’aide de NaOCl peuvent entraîner des artefacts de sol spécifique et ont des limitations sur l’interprétation spectrale que l'on devrait considérer lors du choix d’une méthode de SOM enlèvement14, 22.

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Protocol

1. préparer le sol pour la spectroscopie de dérive Non traitées et enlèvement de SOM

  1. Tamisez le sol < 2 mm à l’aide d’une maille d’acier inoxydable (la « fraction de fine-terre »).
    Remarque : Cette démonstration emploie deux sols de texture similaire mais une différence de près de 3 fois dans la teneur totale en SOM (tableau 1).

2. SOM enlèvement par oxydation chimique : exemple de NaOCl

  1. Ajuster le pH de 6 % p/v NaOCl à pH 9,5 en ajoutant 1 M HCl goutte à goutte de la solution tout en mélangeant et en mesurant avec un pH-mètre.
    NOTE : Eau de Javel plus commerciale (p. ex., Clorox) est adaptés à la qualité et de la concentration (en général 3 à 7 % NaOCl v/v) mais aura pH > 12. NaOCl oxydation des matières organiques est dépendante du pH et pH 9.5 est recommandé pour son utilisation avec des échantillons de sol19,23, il est nécessaire d’ajuster le pH de la plupart des décolorants disponibles dans le commerce.
  2. Ajouter 25 mL NaOCl (6 % p/v, pH 9,5) à 4 g de sol (tamisé, séchés à l’air) dans un tube conique de 50 mL et mélanger par sonication (600 s, sortie fréquence 20kHz, puissance 200 W).
  3. Incuber le mélange dans un bain d’eau chaude (80 ° C, 15 min) pour augmenter la vitesse d’oxydation.
  4. Centrifugeuse pour obtenir un surnageant clair (par exemple, 15 min à 4 000 × g pour les sols à texture plus grossières ; température ambiante). Manuellement, éliminer le surnageant dans un conteneur à déchets.
    Remarque : La concentration de NaOCl dans le surnageant (prudemment, en supposant aucune oxydation et donc aucune consommation de NaOCl) est la même chose que commercialement disponible eau de Javel à usage domestique. Les sols à texture plus fine peuvent exiger plus long temps de centrifugation (p. ex., jusqu'à une supplémentaire de 15-30 min) à une vitesse de centrifugation donnée (p. ex., 4 000 × g) pour obtenir un surnageant clair.
  5. Répétez les étapes 2.3 et 2.4 deux fois pour un total de trois étapes d’oxydation.
  6. Après la dernière étape de l’oxydation, ajouter 20 mL eau désionisée H2O (dH2O) au sol et mélanger pendant 5 min à l’aide d’un agitateur horizontal (120 tr/min). Centrifuger à 4 000 × g et à température ambiante pendant 15 minutes. Répéter pour un total de trois traitements.
  7. En utilisant une spatule et dH2O d’un vaporisateur que nécessaire, extrait et lavent le culot de sol du fond de la tube à centrifuger dans un plastique pèsent bateau (ou un autre récipient avec grande surface). Anhydre (60 ° C maximum, 48 h) à l’état séché à l’air.
  8. Une fois que l’échantillon de sol est séché, quantifier la teneur en carbone organique total par chromatographie de gaz de combustion à l’aide d’un analyseur de C/N24. Calculer le retrait SOM que la différence de concentration en carbone organique avant et après traitement d’oxydation.
    Remarque : En raison de la perte de matière organique et la structure du sol, sol sera sujets à l’encroûtement, en particulier pour les sols à faible teneur en sable. Il peut être nécessaire d’appliquer une légère pression et/ou de meulage pour re-homogénéiser le sol en croûte à la main. Sols avec carbone inorganique (c.-à-d., carbonates) requièrent des étapes supplémentaires pour quantifier le carbone organique par chromatographie de gaz de combustion25,26.

3. SOM enlèvement par Combustion à haute température

  1. Mesure environ 1-2 g de sol (tamisé, séchés à l’air) dans un creuset de porcelaine à l’aide d’une spatule.
  2. Chauffer à 550 ° C pendant 3 h à l’aide d’un four à moufle.
    Remarque : Il s’agit d’un exemple de méthode d’élimination de SOM utilisant la combustion à une température relativement élevée. Reportez-vous à la Discussion sur les procédures alternatives (p. ex., température).

4. DRIFT spectroscopie

NOTE : Pour cet exemple, le logiciel de spectromètre FTIR énuméré dans la Table des matières sera utilisé.

  1. Acquérir des spectres de sol non traité et échantillon de minéral référence enrichi (traitée pour supprimer SOM).
    1. Préparer les échantillons de sol.
      1. Diluer les échantillons (facultatifs).
        1. Pureté analytique utilisation KBr (ou autre sel haloïde) séché à 105 ° C et stockée dans un dessicateur pour enlever l’humidité résiduelle. Des échantillons de sol, les dilutions de KBr efficaces peuvent être réalisées à une distance de 1 à 33 %, contrairement aux < 1 % pour les composés purs.
        2. Mélange sol et KBr pour un échantillon final de 100 à 400 mg. Par exemple, pour une dilution de 3 %, doucement moudre 12 mg d’échantillon sec avec 60 mg de KBr pendant 60 s dans un mortier d’agate. Ensuite, « se coucher » 328 mg de KBr à bien homogénéiser l’échantillon.
        3. Utiliser des dilutions successives avec KBr pour obtenir un taux de dilution finale élevée (< 1 %). Effectuer des dilutions répétées afin d’assurer leur reproductibilité, surtout depuis les échantillons dilués utilisent 101-102 moins du sol que les échantillons soignées.
      2. Moudre des échantillons de sol non traités et traités à consistance similaire à la main, broyage et tamisage (p. ex., 250 µm, à l’aide d’un tamis de 60 #).
        Remarque : Par rapport à la main le broyage, une plus grande cohérence est facilitée par automation, en particulier par fraisage de balle. Cependant, la quantité relativement faible de sol utilisé dans les moyens de déplacement (par exemple, 1-3 g à incinération en raison du volume de creuset) SOM cette main de meulage peut être plus pratique.
    2. Percevoir le spectre de l’arrière-plan.
      1. Charger un échantillon de KBr (haché de la même manière que des échantillons de sol (voir 4.1.1.2) pour imiter les effets de matrice de sol) dans une tasse de l’échantillon ou la plaque bien.
        NOTE : Le « spectre de fond » est différent du spectre enrichi en minéraux de référence (voir 4.1.3) utilisé pour effectuer des soustractions. Le spectre de fond sera utilisé par le logiciel pour supprimer atmosphériques et autres absorbances ambiantes pendant la collecte des spectres sur des échantillons de sol. Toutes les descriptions de logiciels sont spécifiques au logiciel choisi et devront être adapté à d’autres logiciels.
      2. Purge de la chambre de spectromètre et CO2- H2O-lavé air (par un générateur de gaz de purge) ou avec gaz2 N pour une plus grande cohérence dans les conditions de collecte. Par exemple, collection des spectres sous atmosphère ambiante peut entraîner de légères fluctuations d’humidité et de CO2 qui peuvent entraîner des modifications dans les spectres d’absorbance.
        Remarque : Les nouveaux spectromètres peuvent avoir miroirs (p. ex., or, SiC) qui peuvent potentiellement réduire les effets de l’humidité.
      3. Recueillir un éventail de fond en utilisant les même détecteur et acquisition paramètres, y compris le numéro d’analyse, gamme de nombre d’onde et la résolution, qui sera utilisée pour recueillir des spectres d’échantillons.
        1. Ouvrez le menu déroulant pour expérience et sélectionnez la méthode désirée collection expérimentale (p. ex., mode d’acquisition).
          Remarque : dans cet exemple à l’aide du spectromètre choisie (voir la Table des matières), la méthode choisie est IS50 principal compartiment.
        2. Cliquez sur l’icône de Montage expérimental pour sélectionner les paramètres d’acquisition spectrale.
        3. Sous l’onglet collecter , vérifier que le nombre de balayages et de la résolution est approprié pour des objectifs expérimentaux ; par exemple, un cadre commun pour les spectres de la dérive des sols soignées est 128 scans à une résolution de 4 cm-1 . Cliquez sur Ok pour enregistrer les modifications.
        4. Cliquez sur l’icône de la Collecte de fond pour collecter un spectre de fond. Enregistrer le spectre de fond pour une utilisation dans la collection des spectres des sols (traités et non traités).
    3. Acquérir des spectres des échantillons de sol.
      Remarque : Utilisez les mêmes paramètres d’acquisition pour recueillir le fond et échantillon (sol non traité, sol enrichi en minéraux) spectres. Différences entre les détecteurs au moment de l’acquisition et la résolution posent des compromis qui ont une incidence collection temps et qualité spectrale. Numéros de scan typique pour la gamme de spectres de sol de 128-512 scans. Numéro d’analyse peut être diminuée et répliques en moyenne pour obtenir un numéro de scan cible totale. Par exemple, deux répétitions analytiques - le même échantillon chargé dans deux puits séparés - peuvent être collectées à l’aide de 64 scans chaque et en moyenne pour un total de 128 scans.
      1. Charger l’échantillon de sol. Pour assurer le chargement uniforme et réduire la rugosité de la surface, versez les échantillons dans la coupe de l’échantillon (ou bien) jusqu’au point de déborder légèrement au-dessus de la lèvre ou le bord de la coupe. Puis, surface lisse le sol dans la coupe à l’aide d’un bord plat (p. ex., rasoir) telle que la hauteur du sol l’échantillon dans la coupe affleure avec la lèvre de la coupe.
        NOTE : Due à l’interaction de la lumière infrarouge avec une matrice telle que le sol en mode réflexion diffuse, chargement d’échantillon peut influencer les spectres de dérive. Échantillons non doivent être tassés ou soumis à des pressions parce que la densité d’emballage peut affecter absorbance. Granulométrie plus fine des échantillons assure une plus grande facilité de surface de lissage (voir 4.1.2.1). Selon le modèle de spectromètre et la densité de l’échantillon, la masse de l’échantillon nécessaire pour remplir la tasse de l’échantillon vont de 300 à 600 mg. Dans le cas des puits de la plaque, cela dépend aussi de la taille bien. Plaques avec un plus grand nombre de puits auront plus petits puits et nécessiteront donc moins échantillon. Par exemple, plaques à 96 puits ont généralement un volume bien de 360 µL tandis que les plaques 24 puits ont un volume bien de 3,4 mL.
      2. Spectres de recueillir des échantillons de sol non traités et traités. Vérifiez d’abord que le spectre de fond recueilli précédemment (voir 4.1.2.3.4) est utilisé. Cliquez sur montage expérimental. Sous l’onglet collecter , sélectionnez utiliser un fichier contexte spécifié et charger le fichier de spectre de fond. Cliquez sur Ok pour enregistrer les modifications. Pour commencer une collection spectrale sur le sol, cliquez sur Collect Sample.
        NOTE : A re-charger le même exemple dans différents puits ou coupe d’échantillon pour recueillir les spectres répétées pour tenir compte des artefacts de diffusion produites par la rugosité de surface et par la variabilité dans la densité de la matrice.
  2. Effectuer une soustraction spectrale.
    Remarque : Le facteur de la soustraction (SF) pèse le degré auquel absorbance dans le spectre de référence minéraux est soustraites des absorbances au nombre d’onde correspondante dans le spectre du sol non traité. Pour les soustractions axées sur l’amélioration de résolution des absorbances organiques pour caractériser le SOM, il est recommandé d’utiliser l’intégralité de la MIR offerte par la plupart de spectromètres (p. ex., 4 000 à 650 ou 400 cm-1, selon le détecteur). Les étapes suivantes décrivent une méthode empirique pour déterminer le SF. Toutes les descriptions de logiciels sont spécifiques au logiciel choisi et devront être adapté à d’autres logiciels.
    1. Zéro pics en utilisant l’option de la soustraction du logiciel pour changer le facteur de la soustraction (SF) afin de minimiser ou réduire un pics minéraux cible et/ou minéraux pics, et/ou d’optimiser une base linéaire14.
    2. En même temps, sélectionnez les spectres de sol non traités et traités et cliquez sur l’icône de la soustraction (haut au centre de l’écran) ; le premier spectre sélectionné (sol non traité) sera le spectre dont le second spectre (sol traité) est déduit.
    3. Utilisez la barre de la bascule verticale ou les flèches pour augmenter ou diminuer la SF (à gauche de l’écran). Observer les changements dans le spectre de soustraction prévisualisé.
      1. Cette fonction itérative permet de déterminer une SF approprié tel que décrit dans les Résultats de représentant. La valeur numérique de la SF apparaît au milieu de la barre de la bascule. Pour ajuster les valeurs de plage de SF, utilisez les boutons Finer et Coarser .
    4. Cliquez sur ajouter (en haut à droite de l’écran) pour charger le spectre calculé soustraction dans une fenêtre.
      Remarque : Puisque la majorité des minéraux ne sont pas des absorbances linéaire avec une concentration dans la plupart (sinon tous) des échantillons de sol, il n’est généralement pas possible de supprimer tous les pics minéraux. Il est recommandé que pics minérales considéré comme moins enclins à l’inversion (p. ex., quartz-comme Si-O à 2 100-1 780 cm-1)14 servir le pic de la cible à zéro en ajustant la SF.
    5. Enregistrement et rapport détails méthodologiques sur le mode d’exécution de la soustraction avec suffisamment de détails pour permettre un calcul indépendant du même spectre soustraction de la gamme de sol non traité, y compris : (1) la région de nombre d’onde utilisée pour la soustraction, (2). la SF ou gamme de SFs usagés et (3), le pic (minéraux) ou la région ciblée pour zéro-ing sur.
      Remarque : Un bon test de la fiabilité d’une soustraction est qu’elle soit effectuée de nouveau par le même utilisateur et/ou indépendamment par un autre utilisateur en utilisant les paramètres déclarés soustraction.
  3. Interpréter les spectres.
    1. Effectuer l’interprétation spectrale en utilisant les différentes ressources disponibles pour analyser et interpréter les spectres de soustraction qui en résultent, en particuliers affectations des absorbances de groupes fonctionnels organiques4.
      Remarque : D’autres utilisations des spectres de soustraction incluent analyse multivariée (p. ex., analyse en composantes principales), prédiction de chimiométrie de sol analytes27et même judiciaire empreintes9.

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Representative Results

La méthode d’élimination de SOM a des implications théoriques mais aussi pratiques pour l’interprétation des spectres de soustraction. Par exemple, minérale des altérations de la calcination de haute température peuvent se manifester par des pertes ou des apparences de sommets et/ou déplacé ou élargi des pics dans le spectre de référence minéral. Ces artefacts spectrales ont tendance à se produire dans les régions de chevauchement avec des bandes organiques à 1 600-900 cm-1,22 , compromettre l’interprétation des groupes organiques. Changements communs de minéral bandes après calcination des températures élevées (≥ 550 ° C) sont évidentes dans la Figure 2 et incluent la perte de OH culmine à 3 700-3 600 cm-1et les pertes de la crête et se déplace en treillis Si-O et pics de Al-O à 1 050-800 cm-1. En revanche, élimination de SOM à l’aide d’oxydation chimique tend à préserver les minéraux des groupements fonctionnels et risque donc moins d’artefacts (voir Discussion). Toutefois, cela vient généralement à un coût inférieur SOM enlèvement28, comme en font foi pour les sols d’exemple (tableau 2). Ceci limite l’interprétation de la composition des groupes fonctionnels organiques dans le spectre de la soustraction à moins de la masse totale de SOM.

Oxydations chimiques peuvent être une alternative intéressante à l’incinération pour la remise des horizons minéraux car ils généralement préserver structure minérale et évitant ainsi les caractéristiques d’absorbance artéfactuelle dans les spectres de référence et donc la soustraction qui en résulte spectre14,22. Par exemple, sol A perdu 89 % de carbone organique du sol (cos) par oxydation de NaOCl comparée à 97 % par calcination (tableau 2) tout en préservant les caractéristiques de l’absorption de minéraux altérés par calcination (Figure 2). En revanche, élimination incomplète et potentiellement sélective de SOM signifie que NaOCl résistant matière organique ne sera caractérisé5,29,30, nécessitant une interprétation minutieuse de la soustraction spectre14. Quantification de SOM perte avec chaque traitement d’oxydation supplémentaire effectuée peut être utilisée pour déterminer le nombre optimal de traitements oxydants pour l’enlèvement de SOM. Évaluation de l’exemple de méthode d’oxydation à l’aide de NaOCl a montré que la suppression de SOM atteint un plateau après 3 étapes d’oxydation peu importe si le contenu SOM des échantillons était faible (< 2 % C) ou élevé (36 % C). À chaque étape de l’oxydation successifs, la couleur du liquide surnageant est susceptible de changer de diverses nuances de violet/noir/orange à brun-rouge plus léger jusqu'à ce que la couleur jaune-verdâtre originale d’eau de Javel (c.-à-d., inaltéré NaOCl diluée).

Meulage pour réduire et homogénéiser la taille des particules du sol peut améliorer la qualité spectrale en réduisant la diffusion de la lumière de grosses particules et inversion d’absorber fortement composants31. Si une taille maximale des particules de 250-100 µm a été considérée comme optimale pour réduire au minimum ces artefacts32, évaluations récentes suggèrent que le meulage au-delà de 2000 µm n’améliore pas nécessairement la qualité spectrale pour chimiométriques prédictions33, 34. Cependant, plus finement des échantillons de sol sol peuvent donner encore améliorée pics d’absorbance (nettes) et pièce a diminué l’absorbance variabilité33, qui sont censées bénéficier de soustraction spectrale. En revanche, certaines études ont montré que le meulage (p. ex., à 200 µm) peut induire plus d’hétérogénéité dans la distribution granulométrique de tamisage standard (par exemple, 2 000 µm)35,36. L’effet sur la qualité spectrale est susceptible de dépendre des objectifs de l’expérience (par exemple, interprétation des bandes d’absorbance, chimiométriques prédiction des fractions de C) et propriétés (par exemple, texture, minéralogie)29du sol. Il est recommandé d’évaluer que les effets de taille sur les spectres de la soustraction de meulage pour un ensemble donné de sols et d’objectifs. L’échantillon de sol traité utilisé pour le spectre de référence minérale est susceptible d’avoir une granulométrie plus fine que les sols non traités correspondants en raison de la perturbation des agrégats par enlèvement de SOM.

L’utilisation d’échantillons de sol (non dilué) soignée est très répandue dans l’utilisation de la spectroscopie de la dérive en raison d’une plus grande facilité d’analyse et un débit plus élevé. Dilution de l’échantillon s’effectue traditionnellement pour les échantillons de grande pureté à l’aide de sels infrarouge invisible pour l’halogénure (p. ex., KBr, NaBr, KI). Toutefois, pour caractérisation spectroscopique de dérive de la composante organique des sols, dilution sel halogénure est moins avantageuse. C’est parce que la dilution des échantillons tend à améliorer la résolution des absorbances pour dominantes composants (minéraux), mais pas nécessairement ceux qui représentent des constituants mineurs (organique)5,37. Néanmoins, il peut y avoir des avantages à la dilution des échantillons de sol, qui peut être évaluée de manière empirique pour chaque échantillon5.

Pour illustrer le rôle du facteur de soustraction (SF) dans l’exercice de soustraction spectrale, considérez que les soustraction des spectres obtenus pour sol un utilisant le spectre du sol NaOCl oxydé comme référence (Figure 3). Comme la SF passe de 0 à 1, l’absorbance des bandes correspondant aux minéraux diminuent, notamment minéral surface O-H à cm 3 618-1 et Si-O à 1 880 et 808 cm-1. Simultanément, des augmentations d’absorbance pour bandes représentant les groupes fonctionnels organiques telles qu’aliphatique C-H stretch à 2 920 cm-1 et potentiellement amide C-N et N-H et/ou aromatiques C = C à 1 558 cm-1. Avec l’augmentation de l’échelle de la SF, cependant, inversions de minéraux absorbance comme Si-O à 2100-1780 cm-1 émergent. NaOCl oxydation supprimé 89 % du total cos dans un sol avec 2,2 % C (tableaux 1, 2), et étant donné que SOM est estimé à 58 % C38, une SF théorique de 0,97 peut être calculée. Toutefois, la non-linéarité de l’absorbance entraîne plus soustraction des caractéristiques minérales par cette SF (Figure 3).

Une approche plus pratique consiste à déterminer sur le plan opérationnel la SF basé sur la suppression d’une fonction d’absorption de minéraux par « annulation » ou zéro-ment sur une cible temps. Les fonctionnalités de Si-O de quartz ressemblant à 2100-1780 cm-1 sont les minéraux absorbances cible approprié parce qu’ils découlent des vibrations fondamentales de Si-O qui sont moins sensibles aux spéculaire réflexion14,37. Par exemple, dans la Figure 3, nulle-ment de quartz Si-O à 2 100 - cm 1 780-1 suggère une SF de l’ordre de 0,7 - 0,8 à être plus approprié pour réduire les absorbances minérales dominants que les a priori SF de 0,97 calculée à partir de la différence de masse (c.-à-d., SOM supprimé) entre les deux échantillons.

Les pièges potentiels dans le choix d’une SF incluent inversion et oversubtraction, tous deux mis en évidence « peaks négatives » qui ressemblent à un pic à l’envers ou « W » forme14, ou dans le cas de soustraction forte, une image miroir de la gamme de sol non traité. Inversions ne sont pas possible d’éviter complètement puisque ceux-ci sont communs pour Si-O à 1 150-800 cm-1, mais peuvent être minimisées. Inversions doivent être relevées comme une région non grata pour interprétation spectrale22,39 , parce que dans ces régions peut refléter les absorbance mode d’exécution de la soustraction plus encore que l’absorption des composants, en particulier pour mineur constituants tels qu’OM

Spectral logiciel accompagnant modernes spectromètres FTIR peut être utile pour guider et exécuter des soustractions. L’utilité d’un tel logiciel réside dans l’adaptation en temps réel et itérative des fonds structurels tout en regardant le spectre résultant de la soustraction. Toutefois, la valeur par défaut SF suggérée par logiciel spectrale sont à considérer avec prudence parce que les critères de logiciel peuvent ne pas convenir pour les buts de l’expérience et les échantillons tels que des sols (p. ex., absorbance non-linéaire, inversion des caractéristiques minérales). Par exemple, le logiciel particulier utilisé pour calculer les spectres de soustraction à la Figure 3 (voir le tableau des matériaux) a suggéré une SF de 1,45, issu de linéarisation de base chez la résultante soustraction du spectre40, qui manque la objectif de zéro-ment des Si-O à 2100-1780 cm-1 pour l’interprétation des absorbances organiques au 1 800-1 000 cm-1. Il est important de noter que la SF a proposé par le logiciel est également influencée par la gamme de nombre d’onde sélectionnée pour la soustraction, car le logiciel optimise une soustraction pour la région spectrale donnée. Avantages supplémentaires du logiciel comprennent des transformations de traitement spectral (p. ex., Kubelka-Munk, fonctions de puissance) pour améliorer la qualité spectrale (par exemple, des lignes de base linéaires) avant d’effectuer les soustractions.

Le spectre de référence minéral peut contenir des fonctionnalités d’absorbance influencées par la méthode de suppression de SOM, avec des conséquences pour l’exécution et l’interprétation spectrales soustractions. Comparaison des différences entre les spectres de référence minéraux non traités et incinéré (Figure 2) peut aider à identifier lequel de ces caractéristiques peut être en raison des artefacts de l’enlèvement de SOM. Contrairement à l’oxydation de NaOCl, incinération produit des changements dans les bandes d’absorbance représentant des groupes fonctionnels minérales, notamment surface de phyllosilicates et intercalaires O-H (3 700-3 600 cm-1), Al-OH (915 cm-1) et Si-O (796, 521 cm-1) . Bandes de Si-O de quartz-like (2 100-1,780, 1 159 cm-1) ne montrent pas des changements marqués en absorbance (intensité ou nombre d’onde) pour un traitement.

Un exemple de soustraction excessive et le risque de non identifiés artefacts résultant de la méthode de suppression de SOM de choix sont démontrées à incinération à 550 ° C dans la Figure 4. Bien que le zéro-ing sur quartz-comme Si-O à cm 2 100-1 780-1 est obtenue avec une SF de 0,76, une éminente inversion en forme de W à 1 100-450 cm-1 suggère que l’interprétation du spectre soustraction devrait se limite à > 1 200 cm-1. Comme référence du spectre a été obtenu par calcination de haute température, perte de minéraux que surface OH à 3 700-3 600 cm-1 (voir Figure 2) signifie que ces pics sont un artefact qui ne devrait pas être une cible de mettre à zéro. Les tentatives de le faire compromettra probablement autres régions spectrales. Par exemple, ne pas reconnaître la fonctionnalité à 3700-3600 cm-1 comme un artefact pouvait motiver l’utilisateur d’augmenter dans la SF pour réduire (SF = 1,24) ou tenter de zéro out (SF = 1,51) cet artefact aux dépens de trop en soustrayant le reste des régions spectrales, y compris organique absorbance à 1800-1200 cm-1 (Figure 4).

Il est également possible de soustraire trop le spectre de référence minéraux, tels que dans le but d’améliorer une bande spécifique sans tenir compte des effets sur d’autres régions spectrales (Figure 5). Tandis que ceci peut être justifié par des objectifs expérimentales (voir Discussion), l’exemple de la Figure 5 de renforcer le tronçon de C-H aliphatique à 2800-3000 cm-1 « à tout prix » rend la partie restante des spectres ininterprétable, y compris la région correspondant à la majorité des groupes fonctionnels organiques pertinents à la caractérisation des SOM au 1 800-1 000 cm-1. Un indicateur de soustraction excessive est l’inversion approfondissement des caractéristiques spectrales au-delà Si-O sujettes à inversion des groupes que le SF augmente de 0,81 à 1,35 à 1,72. À l’inverse, l’élimination incomplète de ces bandes de minéraux cible signifie que la SF est probablement insuffisant, comme une preuve de la soustraction effectuée avec une SF de 0,32. Une SF de 0,81 idéalement zéro-out sur la cible Si-O propose à cm 2 100-1 780-1 tout en minimisant les inversions.

La comparaison des spectres de soustraction calculé à partir des spectres de référence obtenues par calcination de haute température et oxydation chimique indiquent des caractéristiques communes, renforcées par soustraction à 1 750-1 350 cm-1 , imputables à des groupes fonctionnels organiques, mais également présentent des différences dues à l’altération des minéraux, et éventuellement la quantité de SOM retiré (Figure 6). Notez qu’une SF semblable a été obtenue pour les soustractions en utilisant une référence de minéraux obtenue par calcination (SF = 0,76, Figure 4) contre l’oxydation de NaOCl (SF = 0,81, Figure 5). Pour une méthode donnée d’enlèvement de SOM, les différences sont visuellement évidentes entre les spectres de soustraction des sols de matières organiques hautes et basses qui sont moins visibles ou absentes dans les spectres de sol non traité (Figure 6), correspondant à aliphatique C-H (stretch) à 2916 cm-1et cétone et amide C = O, avec des contributions possibles de C = C conjugué à 1 647 cm-1, amide C-N et N-H au cm 1 568-1, aliphatique C-H (courbe) à 1 427 cm-1et de phénol et/ou carboxyle C-O à 1 275 cm-1. Il est essentiel que les spectres de soustraction soit entendu comme une méthode opérationnelle pour évaluer les variations relatives d’absorbances qui peuvent être affectés à des groupes fonctionnels organiques avec diverses certainement selon le type et l’absorbance gamme (cause de potentiellement chevauchement des bandes)4.

Figure 1
Figure 1. Illustration de la soustraction spectrale pour renforcer des groupes organiques avec un spectre de fond du sol même après le retrait de SOM par oxydation chimique (NaOCl). Spectres de la dérive ont été recueillis sans KBr dilution de l’échantillon de sol. Le sol est un Xerofluvent Mollic en vertu de l’usage agricole dans la vallée de Sacramento en Californie (22 mg C g-1 de sol). Les spectres de soustraction ont été calculées avec un coefficient de soustraction de 1.0. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2. La comparaison des spectres de fond ou référence enrichie en minéraux permettant d’effectuer des soustractions spectrales obtenues par différentes méthodes d’épilation SOM. Comparaisons des sols traités et non traités sont indiqués pour un horizon de surface (Ap) d’un Xerofluvent Mollic formé sur alluvions mixte en Californie, USA (22 mg C g-1). Les spectres correspondent au sol original sans traitement (en haut), suivie des sols suite à des traitements d’épilation SOM d’oxydation chimique (NaOCl) (au milieu) et de la combustion à haute température (550 ° C) (en bas). Les spectres de dérive ont recueilli des échantillons de sol sans dilution de KBr. Boîtes grises mettent en évidence l’absorption minérale bandes caractéristiques des spectres de sol, centrée à cm 3620-1, 1870 cm-1 et 800 cm-1. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3. Exemple d’augmentation du facteur de soustraction (SF) à 0,1 intervalles de 0,1 (soustraction minimale) à 1.0 (soustraction égale d’origine sol spectre et spectre de référence). La SF pèse le degré auquel le spectre de référence (sols A, après les avoir chauffées à 550 ° C pendant 3 h) est soustraite de la gamme de sol (non traité) original (sol A). Comme le facteur de soustraction diminue, bandes d’absorption correspondant aux minéraux augmentent (3 618 cm-1, 1 880 cm-1, 808 cm-1) et bandes représentant les matières organiques diminuent (2 920 cm-1, 1 558 cm-1, 1 240 cm-1 ). Les spectres de dérive ont recueilli des échantillons de sol sans dilution de KBr. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4. Exemples de soustraction excessive et le risque de non identifiés artefacts résultant de la méthode d’élimination de SOM (par incinération à 550 ° C). Même avec zéro-ing sur quartz-comme Si-O à 2 100-1 780 cm-1 (zone grise) (SF = 0,76), une éminente inversion en forme de W à 1100-450 cm-1 (flèches) suggère que l’interprétation du spectre soustraction devrait se limite à > 1200 cm-1. Étant donné que le spectre de référence a été obtenu par calcination de haute température (550 ° C), perte de minéraux OH surface à 3 700-3600 cm-1 (zone grise) (voir la Figure 2) indique que ce pic est un probable un artefact. Ne pas reconnaître la fonction à 3 700-3 600 cm-1 comme un artefact peut induire en erreur l’utilisateur afin d’accroître la SF pour réduire (SF = 1,24) ou zéro (SF = 1,51) cette fonction spectrale au détriment de l’oversubtracting les régions restantes, y compris organique absorbance à 1 800-1 200 cm-1. Artefacts supplémentaires de calcination incluent une fonctionnalité à 2300 cm-1 (flèche). Les spectres de dérive ont recueilli des échantillons de sol sans dilution de KBr. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5. Exemples de spectres de soustraction idéal et non idéales à l’aide d’une référence minérale obtient par oxydation de NaOCl. Soustraction insuffisante (faible SF = 0,32) signifie que les absorbances minérales importants (zones grises) sont toujours présents. Augmentant la SF de mettre à zéro comme quartz SiO à cm 2 100-1 780-1 (SF = 0,81) établit un équilibre entre les critères de la suppression de cette absorption minérale comme une approximation des minéraux chevauchement au 1 800-1 000 cm-1, minimisant les inversions de Si-O < 1 100 cm -1et maintenir une base linéaire. Dans le but de renforcer encore le C-H-stretch aliphatique à 3 000-2 800 cm-1, la SF peut être augmenté (à 1,35 ou 1,72), mais cela se traduit par oversubtraction des degrés divers. Spectres ont été prélevés sur des échantillons de soigné (pas de dilution de KBr) par spectroscopie de dérive. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 6
Figure 6. Jumelé à la comparaison des spectres de dérive de high (haut) et low (bas) la matière organique des sols présentant le potentiel de soustraction spectrale afin d’améliorer l’interprétation des absorbances organiques par rapport aux spectres sol original. Différences dans les absorbances correspondant aux minéraux (case grise) et organiques (ligne pointillée) absorbance bandes sont évidentes entre les hautes et basses des sols SOM et/ou parmi les trois spectres : les spectres des sols originaux (non traitées) et les spectres obtenus par en soustrayant une référence minérale du spectre de sol non traité, à l’aide d’un sol enrichi en minéraux pour le spectre de référence minéral obtenu par combustion thermique (« incinération ») ou par oxydation chimique. Absorbances organiques qui diffèrent entre haute et basse des échantillons SOM peuvent être imputés à aliphatique C-H (2 916 cm-1), cétone ou amide C = O, avec des contributions possibles de conjugué C = C (1 647 cm-1), amide C-N et N-H ou possible (aromatiques) C = C 1 568 cm-1), aliphatique C-H (cm 1 427-1) et carboxyle et/ou phénol C-O (1 275 cm-1). Les sols sont de l’horizon dep A des Entisols formé d’alluvions mixtes dans la vallée de Sacramento (Californie, é.-u.). Les spectres ont été prélevés sur des échantillons de soigné (pas de dilution de KBr). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Sol SOM
contenu		 SOC
(mg g-1)		 C : N pH
(1:2, eau)		 argile
(mg g-1)		 sable
(mg g-1)
A Haute 22 9.4 6.5 166 133
B Faible 7 9.3 6.7 126 451
SOC, carbone organique du sol ; C : n, rapport azote carbone

Tableau 1. Propriétés des sols utilisés pour démontrer les méthodes pour la soustraction spectrale améliorer la caractérisation de SOM en utilisant la spectroscopie DRIFT. Les sols sont de minéralogie similaire mais présentent des différences dans la concentration de matière organique. Les sols ont été prélevées à l’horizon dep A des Entisols formé sur alluvions mixtes dans la Sacramento Valley de Californie, USA.

Sol OM
contenu		 SOC
(mg g-1)		 Déperdition de cos (%)
NaOCl-ox cendré
(500 ° C)
A Haute 22 -89.1 -96.5
B Faible 7 -82.5 -97.2
SOC, carbone organique du sol ; NaOCl-ox, hypochlorite de sodium oxydé

Le tableau 2. Exemple de la variation des taux d’élimination de SOM par combustion ou oxydation chimique. Des échantillons de sol traités pour éliminer les matières organiques sont utilisés pour acquérir un spectre de référence enrichie en minéraux permettant d’effectuer des soustractions spectrales pour améliorer la caractérisation de la composition de groupe fonctionnel SOM en utilisant la spectroscopie de la dérive.

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Discussion

La méthode d’élimination SOM exécute deux considérations : 1) le montant de SOM supprimé et artefacts 2) absorbance dans le minéral résultant du spectre de référence. Il est heureusement possible — et sans doute nécessaire — pour identifier et la quantité de ces questions afin d’éviter des interprétations biaisées de la composition de SOM du spectre résultant de la soustraction. Idéalement, soustraction spectrale emploierait un spectre de référence minérale seule pour produire un spectre de soms « pure ». En réalité, le spectre de soustraction qui en résulte présente des absorbances correspondant à SOM qui sont améliorés par rapport au spectre original sol (non traité). C’est parce qu’absorbance non linéaire des composantes minérales dans des échantillons de sol empêche la soustraction complète de tous les minéraux absorbances. Artéfactuelle absorbances minéraux et/ou l’élimination incomplète des SOM limite interprétation des caractéristiques d’absorption spécifique ou l’interprétation de l’ensemble SOM, respectivement.

Comme en témoignent les exemples présentés ici, les deux méthodes courantes pour enlever SOM afin d’obtenir des spectres de référence minéral (combustion thermique ou par incinération et oxydation chimique) ont tendance à engendrer un compromis entre le degré de suppression de SOM et artefacts spectrales. Celles-ci ont des conséquences distinctes pour l’interprétation des spectres de soustraction. Pour la même raison qu’il est utilisé dans la perte sur la méthode d’allumage (LDI) pour estimer la teneur en SOM, incinération de températures élevées (≥ 350 ° C) supprime presque tous les SOM mais est susceptible de modifier les structures minérales cristallines et ainsi produire des changements dans les bandes d’absorption de minéraux. Tel qu’illustré ici, ceux-ci seront manifestera comme des artefacts dans le spectre de soustraction si contributions spectrales des minéraux avant et après calcination diffèrent. Les forces de la sensibilité thermique des minéraux qui peuvent être minérales spécifiques, un compromis sur l’utilité des soustractions spectrales calculées avec les spectres de référence obtenus par calcination, surtout à des températures élevées (par exemple, 550 ° C). Altérations minérale spécifiques à la température de type et des cendres minérale comprennent déshydroxylation, effondrement intercouche et déshydratation41,42,43et ont été documentées dans les spectres des sols de minéralogie divers 10 , 28 , 44 , 45.

Informations sur la composition minéralogique d’un échantillon de sol peuvent être utilisées au préalable pour déterminer une température d’incinération qui évite ou réduit au minimum l’altération minérale (par exemple, effondrement intercouche de kaolinite égales ou supérieures à 350 ° C). Artefacts minéraux peuvent être définis et prévus en soumettant un échantillon de sol à clignoter à différentes températures et en comparant les spectres qui en résulte avec les spectres des sols non traités et normes minérale pure10,46. On peut également contraindre échantillon minéralogie set afin de maintenir des artefacts de soustraction qui résultent de la constante de l’incinération dans des échantillons de sol. Enfin, les basses températures de calcination (par exemple, 350 ° C) peuvent être utilisés pour améliorer certaines bandes organique10,47. Semblables à des oxydations chimiques, l’utilisation de plus basses températures vient généralement à un coût de basse28 (tableau 2) et l’enlèvement de SOM potentiellement sélective10 .

Oxydations chimiques sont généralement moins susceptible de causer des altération minérale, en particulier pour les phyllosilicates, mais peuvent avoir une incidence autres fractions minérales comme les oxydes de fer (hydr). Si elle est connue, la minéralogie des échantillons de sol devrait considérer lors du choix d’un oxydant. Par exemple, l’hypochlorite de sodium peut retirer des quantités relativement élevées de SOM avec très peu ou aucune dissolution des oxydes minéraux, contrairement à d’autres oxydants agents (par exemple, peroxyde d’hydrogène)48,,du4950 , 51. ces effets sont censés dépendre de minéralogie et/ou SOM (par exemple, une forte proportion de matière organique liée aux minéraux peut être plus résistante à certains, mais pas les autres oxydations).

Pourquoi nulle-ment les minéraux bandes cible est une meilleure stratégie que s’appuyant sur logiciel-calculé ou a priori SFs est que ceux-ci peuvent devoir être ajusté si minéral zones-cibles ne sont pas entièrement éliminés. Comme c’est commun pour des bandes de minéraux en raison de phyllosilicates hautes concentrations dans les échantillons de sol et donc non linéaire absorbance dans les spectres (p. ex., étirement de Si-O à 1 100-950 cm-1)22, surtout pour la pratique répandue de l’analyse Neat échantillons (aucune dilution halogénure sel), l’ajustement de la SF devraient être explorées afin de minimiser les bandes minéraux selon les objectifs expérimentaux.

Soustractions spectrales offrent une nette amélioration de la capacité des spectres de sol à être utilisé pour interpréter les groupes fonctionnels organiques qui composent SOM en améliorant l’interprétabilité des absorbances organiques dans les régions avec les absorbances de minéraux qui se chevauchent. Bandes même biologiques cependant, pour être relativement sans minérales peuvent bénéficier de soustraction spectrale. Par exemple, le tronçon de C-H aliphatique à 3 000-2 800 cm-1 est considéré comme le groupe organique moins minérale-confondu en sol spectra22, mais sa résolution peut encore être améliorée de façon marquée avec soustraction spectrale52. Les contestations d’interprétation des spectres FTIR d’un échantillon chimiquement complex tels que SOM ne doit pas confondre avec la limitation de la méthode ou ses modifications (par exemple, soustractions) parce qu’une telle complexité est un attribut inhérent du SOM, qui aussi défie les autres méthodes spectroscopiques (par exemple, la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire)1,5.

Soustractions spectrales offrent une stratégie unique pour résoudre les problèmes inhérents à l’analyse spectrale de SOM découlant de minérale dominance des échantillons de sol et avec la forte complémentarité aux autres méthodes avec leurs propres limites distinctes5, 14. Par exemple, une approche séparée pour améliorer l’analyse spectroscopie FTIR de SOM est le prétraitement des sols avec l’acide fluorhydrique (HF) pour révoquer la majorité de la composante minérale. Déminéralisation des échantillons de sol étant de routine pour l’analyse spectroscopique RMN, les mêmes sols traités HF sont souvent également analysées par spectroscopie FTIR. Cependant, la déminéralisation avec HF peut engendrer des pertes importantes de SOM qui compromettent son utilité comme une approche autonome53,54. Par exemple, presque un tiers de SOM de sol A (tableaux 1 et 2) a été supprimé pendant l’HF traitement5.

Il est important de noter que l’utilité des soustractions pour l’analyse des sols est d’améliorer les potentiels groupes organiques d’intérêt à une wavenumber(s) particulière, plutôt que de céder une soustraction complete d’abord interférant absorbances minéraux55, 56,57,58. Pour cette raison, soustractions peuvent être plus ou moins adaptées aux régions spectrales particulières. Nguyen et al. 4 a reconnu que les soustractions risquaient d’être plus utile pour améliorer les groupes organiques au 1 800-1 600 cm-1, qui Reeves III22 diagnostiqué comme une région spectrale pour lequel soustractions précises étaient possibles même avec des artefacts de spectres de référence obtenues par calcination de haute température. Minérales absorbances Si-O dans cette région soustraire avec précision, contrairement à d’autres régions (par exemple, 1 000-400 cm-1) en raison d’absorbance non-linéaire et inversions des groupes miniers comme Si-O à 1 050-980 cm-1 37 ,59.

Un secteur potentiellement fructueux des travaux futurs est de systématiquement les propriétés de sol adresse entraîner un échantillon spécifique artefacts introduits par le procédé d’élimination de SOM. Le principal défi pour les soustractions spectrales est la difficulté d’obtenir un spectre de référence minéral qui est proche ou toute suppression de SOM encore peu ou pas d’artefacts de l’enlèvement de SOM. Les méthodes actuelles de hautes températures calcination et d’oxydation chimique engendrent un compromis entre ces deux objectifs. Identification des artefacts de minéralogie spécifiques détectables dans les spectres FTIR à travers une gamme de SOM conditions de retrait et types de sols, ainsi que des normes minérales pures, serait une première étape pour établir des recommandations spécifiques au sol22. Autres méthodes d’épilation SOM tardent à être systématiquement l’objet d’une enquête. Prometteuses de méthodes d’épilation incluent des cendres de basse température (souvent effectué sous basse pression) et pour des oxydations chimiques, peroxyde d’hydrogène et de peroxodisulfate de sodium14.

Les spectres des sols déminéralisées à l’aide de HF peuvent être utilisés pour comparer les spectres de soustraction obtenus par différentes méthodes. HF permet de dissoudre et de révoquer la majorité de la composante minérale des échantillons de sol, ce qui donne un échantillon enrichi en SOM. Étant donné que le spectre d’un échantillon de sol HF-traité devrait, en théorie, être semblable à un spectre de soustraction du sol même avec un spectre de référence minéraux obtenu par la suppression totale de SOM, comparant les spectres de SOM obtenus par déminéralisation HF versus soustraction pourrait être utilisé pour effectuer une validation croisée des bandes d’absorption, d’identifier des artefacts et d’accroître la confiance dans les affectations spectrale5, en particulier dans les régions sujettes aux artefacts de soustraction par inversion (< 1 200 cm-1). Cependant, suppression incomplète ou sélective des composants minéraux et organiques au cours du traitement HF signifie que les spectres des sols traités HF ne peuvent offrir un spectre « objectif » de SOM, seulement une comparaison opérationnelle qui, pas à la différence des soustractions spectrales, doit être examiné attentivement à la lumière d’éventuels artefacts.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Nous apprécions la direction du Dr Randy Southard NaOCl oxydation et diverses discussions de soustraction spectrale avec 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

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Sol de Sciences numéro 143 environnement matière organique du sol (SOM) transformée de Fourier (FTIR) spectroscopie infrarouge diffuse la réflectance infrarouge transformée de Fourier (DRIFT) oxydation hypochlorite de sodium (NaOCl) soustraction spectrale groupe fonctionnel
Amélioration de la spectroscopie infrarouge Characterization of Soil Organic Matter avec soustraction spectrale
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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).

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