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Migliorare la caratterizzazione spettroscopia infrarossa di materia organica del suolo con sottrazioni spettrale

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 è alla base di molti processi e funzioni del suolo, ma sua caratterizzazione mediante spettroscopia FTIR è spesso contestata dal minerale interferenze. Il metodo descritto può aumentare l'utilità dell'analisi SOM spettroscopia FTIR sottraendo gli spettri di riferimento minerale minerale interferenze negli spettri di terreno utilizzando empiricamente ottenute.

Abstract

Materia organica del suolo (SOM) è alla base di numerose funzioni e processi del suolo. Spettroscopia di trasformata di Fourier transform a infrarossi (FTIR) rileva infrarossi attivi legami organici che costituiscono la componente organica dei suoli. Tuttavia, il contenuto di materia organica relativamente basso dei suoli (comunemente < 5% da massa) e la sovrapposizione di assorbanza dei gruppi funzionali organici e minerali della regione metà di-infrarosso (MIR) (4.000-400 cm-1) genera interferenza notevole da dominante assorbanza minerale, impegnativo o addirittura impedendo l'interpretazione degli spettri per la caratterizzazione di SOM. Sottrazioni spettrale, un trattamento matematico post hoc degli spettri, possono ridurre l'interferenza di minerali e migliorare la risoluzione delle regioni spettrali corrispondenti a gruppi funzionali organici rimuovendo matematicamente minerale assorbanze. Ciò richiede uno spettro di riferimento arricchita di minerali, che possa essere ottenuto empiricamente per un campione di terreno dato rimuovendo som Lo spettro di riferimento arricchita di minerali viene sottratto dallo spettro originale (non trattato) del campione di terreno per produrre uno spettro che rappresenta assorbanze SOM. Metodi di rimozione SOM comuni includono combustione ad alta temperatura ('lampeggiante') e ossidazione chimica. Selezione del metodo di rimozione SOM trasporta due considerazioni: (1) la quantità di SOM rimosso, e manufatti (2) assorbanza nel minerale di riferimento dello spettro e così lo spettro di sottrazione risultante. Questi potenziali problemi possono e dovrebbero, essere individuati e quantificati al fine di evitare interpretazioni tendenziose o fallace degli spettri per la composizione di gruppi funzionali organici di SOM. A seguito di rimozione SOM, il campione di minerale-arricchita risultante viene utilizzato per raccogliere uno spettro di riferimento minerale. Esistono diverse strategie per eseguire sottrazioni a seconda gli obiettivi sperimentali e caratteristiche del campione, in particolare la determinazione del fattore di sottrazione. Lo spettro di sottrazione risultante richiede un'attenta interpretazione sulla base della metodologia di cui sopra. Per molti del suolo e altri campioni ambientali contenenti componenti minerali notevoli, sottrazioni hanno un forte potenziale per migliorare la caratterizzazione spettroscopica di FTIR di composizione di materia organica.

Introduction

Materia organica del suolo (SOM) è un costituente minore di massa nella maggior parte dei campioni di terreno ma è implicato in più proprietà e processi funzioni del suolo sottostante, ad esempio nutriente ciclismo e carbonio di sequestro1. Che caratterizzano la composizione del SOM è uno di parecchi metodi per collegare formazione SOM e fatturato con i suoi ruoli in suolo funzioni2,3. Un metodo che caratterizzano la composizione SOM è spettroscopia trasformata di Fourier a infrarossi (FTIR), che offre funzionalità di rilevamento di gruppi funzionali che costituiscono la materia organica nel suolo e altri campioni ambientali (ad es., carbossilico C-O, alifatici C-H) 4. Tuttavia, l'utilità della spettroscopia FTIR per rivelare la composizione di gruppo funzionale SOM è sfidato dalla componente minerale dominante per la maggior parte dei suoli (in genere > 95% massa) a causa di forti assorbimenti inorganici che sfida o limitano fortemente la rilevazione e l'interpretazione di assorbanza organici.

Spettrale sottrazioni offrono un modo per migliorare la caratterizzazione spettroscopica di FTIR di materia organica nei campioni di terreno. Sottraendo assorbanza minerale dallo spettro del terreno può essere utilizzato per migliorare le assorbanze di gruppi funzionali organici di interesse nell'analisi della composizione di SOM

(Figura 1).

Vantaggi di sottrazioni spettrale sopra standard spettroscopia FTIR (cioè, gli spettri del suolo) includono:

(i) migliorata risoluzione e interpretazione delle bande di assorbanza organico rispetto agli spettri di terreno normale. Anche se l'interpretazione delle bande organici negli spettri di terreno può essere eseguita da supponendo che le differenze relative di assorbanza sono dovute a differenze in gruppi funzionali organici, questo limita i confronti con i campioni con la stessa mineralogia e SOM relativamente alta contenuto e può essere meno sensibile ai cambiamenti nelle bande organici, anche quelli considerati per essere relativamente priva di minerali (ad es. alifatici tratto C-H)5

(ii) analisi dei suoli di là di alta SOM campioni o estratti organici arricchita di materia o frazioni

(iii) evidenziando i cambiamenti indotti da trattamenti sperimentali da mesocosmo a campo scale6

Applicazioni aggiuntive di sottrazioni spettrale in analisi FTIR di SOM includono integrando caratterizzazioni strutturali e molecolari (ad es., spettroscopia NMR, spettrometria di massa)5,7, identificando le composizione del SOM rimosso da un'estrazione o distruttivo frazionamento8e fingerprinting SOM composizione per scopi forensi9. Questo metodo è applicabile a una vasta gamma di miscele mineral-organico di là di terreni, tra cui sedimenti10, torba11e carbone12,13.

Il potenziale di sottrazioni spettrale per migliorare la caratterizzazione spettroscopica di FTIR di SOM è dimostrato utilizzando esempi di rimozione di materia organica per ottenere spettri di riferimento minerale, e quindi, usando questi minerali fanno riferimento a spettri, esecuzione e valutazione di sottrazioni spettrale ideale e non ideale. Questa dimostrazione si concentra sulla riflettanza diffusa a infrarossi di Fourier spettri (DRIFT) raccolti nella regione metà di-infrarossa (MIR, 4.000-400 cm-1), in quanto si tratta di un approccio diffuso per l'analisi di campioni di terreno4.

I metodi di due esempio di rimozione di SOM per ottenere uno spettro di riferimento arricchita di minerali sono (i) ad alta temperatura combustione ('lampeggiante') e (ii) chimico ossidativo, utilizzando diluite di ipoclorito di sodio (NaOCl). Si noti che questi sono esempi di metodi di rimozione SOM comunemente impiegate, piuttosto che prescrittive consigli. Altri metodi di rimozione SOM possono offrire ridotti artefatti minerali e/o migliorate rimozione tariffe (ad es., bassa temperatura lampeggiante)14. Incenerimento ad alta temperatura è stato uno dei primi metodi utilizzati per ottenere spettri di riferimento arricchita di minerali per eseguire sottrazioni, inizialmente per OM-arricchita campioni derivati da suoli (ad es., materia organica disciolta, lettiera)15, 16 , seguita dalla sua applicazione al terreno di massa campioni17,18. L'ossidazione chimica di esempio utilizzato per rimuovere SOM è basato sul metodo dell'ossidazione di NaOCl descritto da Anderson19. Questo è stato originariamente sviluppato come un pretrattamento per la rimozione di materia organica nei campioni di terreno prima dell'analisi di diffrazione di raggi x (XRD) ed è stato studiato come un potenziale frazionamento chimico sensibile a SOM stabilizzazione20, 21. sia ad alta temperatura rimozione ossidazione chimica utilizzando NaOCl comportano gli elementi specifici del terreno e può avere limitazioni sull'interpretazione spettrale che dovrebbe essere considerati quando si seleziona un metodo di SOM rimozione14, 22.

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Protocol

1. preparare il terreno per spettroscopia DRIFT Non trattata e la rimozione di SOM

  1. Passate al setaccio il terreno a < 2 mm utilizzando una mesh in acciaio inox (frazione di multa-terra).
    Nota: Questa dimostrazione impiega due terreni di consistenza simile, ma una differenza di quasi 3 volte nel contenuto totale di SOM (tabella 1).

2. SOM rimozione da ossidazione chimica: esempio di NaOCl

  1. Regolare il pH di 6% w/v NaOCl a pH 9.5 aggiungendo goccia a goccia 1 M HCl alla soluzione durante la miscelazione e la misurazione con un pH-metro.
    Nota: Più commerciali candeggianti (ad es., Clorox) sono adatti in qualità e concentrazione (in genere 3-7% NaOCl v/v) ma avranno pH > 12. Come NaOCl ossidazione della sostanza organica è pH-dipendente, e pH 9.5 è raccomandato per l'uso con campioni del suolo19,23, è necessario regolare il pH della maggior parte dei candeggianti disponibili in commercio.
  2. Aggiungere 25 mL di NaOCl (6% w/v, pH 9.5) al suolo 4G (setacciato, aria secca) in una provetta conica da 50 mL e mescolare di sonicazione (600 s, frequenza di uscita 20 kHz, potenza 200 W).
  3. Incubare la miscela in un bagno di acqua calda (15 min, 80 ° C) per aumentare il tasso di ossidazione.
  4. Centrifuga per ottenere un supernatante chiaro (ad es., 15 min a 4.000 × g per suoli martellati grossolani; temperatura ambiente). Manualmente decantare il supernatante in un contenitore per rifiuti.
    Nota: La concentrazione di NaOCl nel surnatante (conservativamente assumendo nessuna ossidazione e così nessun consumo di NaOCl) è lo stesso come commercialmente disponibile candeggina per uso domestico. Finer martellati terreni possono richiedere più tempo di centrifugazione (ad es., fino a un ulteriore 15-30 min) ad una velocità di centrifuga determinato (ad es., 4.000 × g) per ottenere un sovranatante chiaro.
  5. Ripetere i passaggi da 2.3 e 2.4 due volte per un totale di tre passaggi di ossidazione.
  6. Dopo l'ultimo passaggio di ossidazione, aggiungere 20 mL deionizzata H2O (dH2O) il suolo e mescolare per 5 minuti utilizzando un agitatore orizzontale (120 giri/min). Centrifugare per 15 min 4.000 × g e a temperatura ambiente. Ripetere per un totale di tre trattamenti.
  7. Utilizzando una spatola e dH2O da una bottiglia di eiaculazioni femminili come necessario, estrarre e lavare il pellet di terreno dal fondo della provetta centrifugo in una plastica pesare barca (o un altro contenitore con elevata area superficiale). Forno-secco (60 ° C massimo, 48h) a uno stato asciugato ad aria.
  8. Una volta che il campione di terreno viene essiccato, quantificare il contenuto di carbonio organico totale per cromatografia gas di combustione utilizzando un analizzatore di C/N24. Calcolare la rimozione SOM come la differenza nella concentrazione di carbonio organico prima e dopo trattamento di ossidazione.
    Nota: A causa di perdita di materia organica e struttura del suolo, terreno sarà incline alla formazione di croste, in particolare per terreni con basso contenuto di sabbia. Può essere necessario applicare una leggera pressione e/o rettifica per ri-omogeneizzare il terreno crostosa a mano. Suoli con carbonio inorganico (cioè, carbonati) richiedono ulteriori passaggi per la misura del carbonio organico da combustione-gas cromatografia25,26.

3. SOM rimozione di combustione ad alta temperatura

  1. Misura di ~ 1-2 g di suolo (setacciato, aria secca) in un crogiolo di porcellana con una spatola.
  2. Calore a 550 ° C per 3 h utilizzando un forno a muffola.
    Nota: Questo è un esempio di metodo di rimozione SOM usando combustione ad una temperatura relativamente alta. Fare riferimento alla discussione su procedure alternative (ad es., temperatura).

4. spettroscopia di deriva

Nota: Per questo esempio, verrà utilizzato il software di spettrometro FTIR elencato nella Tabella materiali .

  1. Acquisire spettri di terreno non trattato e campione di minerale arricchito riferimento (trattati per rimuovere SOM).
    1. Preparare i campioni di suolo.
      1. Diluire i campioni (opzionali).
        1. Uso di grado analitico KBr (o altro sale ad alogenuri) essiccato a 105 ° C e memorizzati in un essiccatore per rimuovere l'umidità residua. Per campioni di suolo, efficace KBr diluizioni possono essere realizzati a una gamma di 1-33%, in contrasto con < 1% per composti puri.
        2. Mescolare il terreno e KBr per una dimensione del campione finale di 100-400 mg. Ad esempio, per una 3% di diluizione, delicatamente macinare 12 mg di campione secco con 60 mg di KBr per 60 s con un agata mortaio e pestello. Quindi, 'piegare' 328 mg di KBr a completamente omogeneizzare il campione.
        3. Utilizzare diluizioni seriali con KBr per ottenere un tasso di alta diluizione finale (< 1%). Eseguire diluizioni replicare per garantire la riproducibilità, soprattutto perché i campioni diluiti uso 101-102 meno terreno rispetto a campioni ordinati.
      2. Macinare campioni di terreno non trattati e trattati di consistenza simile a mano di macinazione e setacciatura (ad es., 250 µm, utilizzando un setaccio n. 60).
        Nota: Rispetto a portata di mano rettifica, maggiore consistenza è facilitata dalla automazione, in particolare mediante fresatura a palla. Tuttavia, la relativamente piccola quantità di suolo utilizzato in SOM rimozione (ad es., 1-3 g per incenerimento a causa del volume di crogiolo) significa che mano rettifica potrebbe essere più pratico.
    2. Raccogliere lo spettro di sfondo.
      1. Caricare un campione di KBr (terra nello stesso modo come campioni di terreno (vedere 4.1.1.2) per imitare gli effetti della matrice suolo) in un campione tazza o piatto ben.
        Nota: Lo "spettro di sfondo" è diverso dallo spettro di riferimento arricchita di minerali (Vedi 4.1.3) utilizzano per l'esecuzione di sottrazioni. Lo spettro di sfondo verrà utilizzato dal software per rimuovere atmosferica e altre assorbanze ambiente durante la raccolta degli spettri su campioni di terreno. Tutte le descrizioni di software sono per il software scelto e saranno necessario essere adattato ad altri software.
      2. Eliminazione dei fogli inceppati della camera spettrometro con CO2e H2O-rimosso aria (tramite un generatore di gas di spurgo) o con gas di2 N per una maggiore coerenza nelle condizioni di raccolta. Ad esempio, raccolta di spettri sotto atmosfera ambiente può comportare piccole fluttuazioni di umidità e di CO2 che può causare cambiamenti negli spettri di assorbanza.
        Nota: Spettrometri più recenti possono avere specchi (ad es., oro, SiC) che potenzialmente possono ridurre gli effetti di umidità.
      3. Raccogliere uno spettro di sfondo utilizzando le stesse impostazioni parametro rivelatore e acquisizione, inclusi numero di analisi, numero d'onda gamma e ad alta risoluzione, che verrà utilizzato per raccogliere gli spettri dei campioni.
        1. Aprire il menu a discesa per esperimento e selezionare il metodo di raccolta sperimentale desiderata (ad es., modalità di acquisizione).
          Nota: In questo esempio mediante spettrometro selezionato (vedere la Tabella materiali), il metodo selezionato è Vano principale iS50.
        2. Fare clic sull'icona Setup sperimentale per selezionare i parametri di acquisizione spettrale.
        3. Nella scheda raccolta , verifica che il numero di scansioni e la risoluzione è appropriato per obiettivi sperimentali; ad esempio, un'impostazione comune per spettri di DRIFT di terreni ordinati è 128 scansioni alla risoluzione di 4 cm-1 . Fare clic su Ok per salvare le modifiche.
        4. Fare clic sull'icona di Raccogliere sfondo per raccogliere uno spettro di sfondo. Salvare lo spettro di sfondo per l'uso nella raccolta degli spettri dei suoli (trattati e non trattati).
    3. Acquisire spettri di campioni di terreno.
      Nota: Utilizzare gli stessi parametri di acquisizione per raccogliere sfondo e campione (terreno non trattato, arricchita di minerali del suolo) spettri. Differenze tra rivelatori in tempo di acquisizione e risoluzione posa trade-off che hanno un impatto insieme tempo e qualità spettrale. Numeri di tipica scansione per gamma di spettri di suolo da 128-512 scansioni. Numero di analisi può essere diminuito e replicati in media per ottenere un numero di scansione destinazione totale. Ad esempio, due repliche analitiche - stesso campione caricato in due pozzetti separati - possono essere raccolto utilizzando 64 scansioni ogni e una media per un totale di 128 scansioni.
      1. Caricare il campione di terreno. Per garantire il caricamento coerenza e ridurre la rugosità di superficie, versare campioni nella tazza del campione (o bene) al punto di riempimento eccessivo leggermente sopra il labbro o il bordo della tazza. Quindi, superficie-liscio il terreno nella tazza utilizzando un filo piatto (ad es., rasoio) tale che l'altezza del suolo campione in Coppa è a filo con il bordo della tazza.
        Nota: A causa dell'interazione di luce infrarossa con una matrice come un terreno in modalità riflettanza diffusa, caricamento del campione può influenzare gli spettri DRIFT. Campioni non devono essere pressati o sottoposto a pressione, poiché la densità di intasamento può influire sulle capacità di assorbimento. Dimensione delle particelle più fini di campioni garantisce una maggiore facilità di superficie levigante (Vedi 4.1.2.1). A seconda del modello di spettrometro e la densità del campione, la massa del campione necessaria per riempire una tazza del campione va da 300 a 600 mg. Nel caso di pozzetti della piastra, questo dipende anche dalle dimensioni ben. Piastre con un maggior numero di pozzi avranno più piccoli pozzi e richiederanno pertanto meno campione. Ad esempio, piastre da 96 pozzetti hanno comunemente un volume ben 360 µ l mentre piastre da 24 pozzetti hanno un volume ben 3,4 ml.
      2. Raccogliere gli spettri dei campioni di terreno non trattati e trattati. Primo controllo che lo spettro di sfondo raccolti in precedenza (Vedi 4.1.2.3.4) è usato. Fare clic su Setup sperimentale. Sotto la scheda di raccogliere , selezionare Usa file di sfondo specificato e caricare il file di spettro di sfondo. Fare clic su Ok per salvare le modifiche. Per iniziare la raccolta spettrale sul terreno, fare clic su Esempio raccogliere.
        Nota: Ri-caricare lo stesso esempio in un ben diverso o una tazza di campione per raccogliere gli spettri di replicare per tenere conto di scattering manufatti prodotti dalla rugosità superficiale e dalla variabilità nella densità di matrice.
  2. Eseguire sottrazioni spettrale.
    Nota: Il fattore di sottrazione (SF) pesa il grado a cui assorbanza dello spettro di riferimento minerali vengono sottratti da assorbimenti presso il corrispondente numero d'onda nello spettro del terreno non trattato. Per sottrazioni focalizzati sul miglioramento della risoluzione di assorbanza organici per caratterizzare SOM, si consiglia di utilizzare la totalità del MIR offerte dalla maggior parte spettrometri (ad es., 4.000 a 650 o 400 cm-1, a seconda del rivelatore). I passaggi successivi descrivono un metodo empirico per determinare la SF. Tutte le descrizioni di software sono per il software scelto e saranno necessario essere adattato ad altri software.
    1. Zero picchi utilizzando l'opzione di sottrazione del programma software per modificare il fattore di sottrazione (SF) per minimizzare o ridurre un picchi di minerale di destinazione e/o minerali picchi, e/o per massimizzare una linea di base lineare14.
    2. Selezionare gli spettri di suolo non trattati e trattati e contemporaneamente fare clic sull'icona Subtract (in alto al centro dello schermo); il primo spettro selezionato (terreno non trattato) sarà lo spettro da cui viene detratto il secondo spettro (terreno trattato).
    3. Utilizzare la barra verticale toggle o le frecce per aumentare o diminuire la SF (a sinistra dello schermo). Osservare i cambiamenti nello spettro sottrazione in anteprima.
      1. Utilizzare questa funzione iterativa per determinare un appropriato SF come descritto nei Risultati di rappresentante. Il valore numerico di SF appare al centro della barra di toggle. Per regolare i valori di gamma di SF, utilizzare i pulsanti Finer e Coarser .
    4. Fare clic su Aggiungi (angolo superiore destro dello schermo) per caricare lo spettro di sottrazione calcolato in una finestra.
      Nota: Poiché la maggior parte del minerale assorbimenti non sono lineari con concentrazione nei campioni di terreno la maggior parte (se non tutti), non è solitamente fattibile per rimuovere tutte le cime minerale. È consigliabile che picchi minerale considerato meno incline all'inversione (ad es., quarzo-come Si-O a 2.100-1.780 cm-1)14 essere utilizzato come il picco di destinazione a zero-out regolando la SF.
    5. Record e report dettagli metodologici su come la sottrazione è stato eseguito con dettagli sufficienti per consentire il calcolo indipendente dello stesso spettro sottrazione dallo spettro del suolo non trattati, tra cui: (1) la regione wavenumber utilizzata per sottrazione, (2). la SF o gamma di SFs usate e (3) il picco (minerale) o regione mirati per zero-ing fuori.
      Nota: Un buon test di affidabilità di una sottrazione è di averlo eseguito nuovamente dallo stesso utente e/o in modo indipendente da un altro utente utilizzando i parametri di sottrazione segnalati.
  3. Interpretare gli spettri.
    1. Eseguire interpretazione spettrale utilizzando diverse risorse disponibili per analizzare e interpretare gli spettri di sottrazione risultante, in particolare incarichi di assorbanza a gruppi funzionali organici4.
      Nota: Altri usi degli spettri di sottrazione includono analisi multivariata (ad es., analisi delle componenti principali), la previsione di chemiometrica del suolo analiti27e persino forense fingerprinting9.

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Representative Results

Il metodo di rimozione SOM ha implicazioni pratiche, nonché teorici per l'interpretazione degli spettri di sottrazione. Ad esempio, minerale alterazioni da incenerimento ad alta temperatura possono manifestarsi come perdite o apparenze di picchi e/o come spostato o ampliato picchi nello spettro minerale di riferimento. Questi artefatti spettrali sono inclini a verificarsi nelle regioni di sovrapposizione con bande organiche a 1.600-900 cm-1,22 compromettere interpretazione delle bande organici. Modifiche comuni di minerale bande successivo incenerimento ad alta temperatura (≥ 550 ° C) sono evidenti nella Figura 2 e comprendono perdita di OH picchi a 3.700-3.600 cm-1e le perdite di picco e turni in lattice Si-O e picchi di Al-O a 1.050-800 cm-1. D'altra parte, SOM rimozione mediante ossidazione chimica tende a preservare minerali gruppi funzionali e rischia così di meno artefatti (Vedi discussione). Tuttavia, questo in genere ha un costo di bassa rimozione SOM28, come dimostra per i suoli di esempio (tabella 2). Questo limita l'interpretazione della composizione organica gruppo funzionale nello spettro sottrazione a meno del pool totale di SOM.

Ossidazioni chimiche possono essere un'alternativa attraente ad incenerimento per arredo sfondi minerali perché generalmente preservare struttura minerale e quindi evitare caratteristiche di assorbanza artifactual negli spettri di riferimento e quindi la sottrazione risultante spettro14,22. Ad esempio, terreno un perso 89% di carbonio organico del suolo (SOC) di NaOCl ossidazione rispetto al 97% di incenerimento (tabella 2) pur conservando caratteristiche di assorbanza minerale alterate da incenerimento (Figura 2). D'altra parte, la rimozione incompleta e potenzialmente selettiva di SOM significa che materia organica NaOCl-resistente non sarà caratterizzato5,29,30, che richiedono un'attenta interpretazione della sottrazione spettro14. Quantificare SOM perdita con ogni trattamento ulteriore ossidazione eseguita consente di identificare il numero ottimale di ossidativi trattamenti per la rimozione di SOM. Valutazione del metodo di ossidazione di esempio utilizzando NaOCl ha mostrato che la rimozione di SOM plateaued dopo 3 passi di ossidazione indipendentemente dalla basso contenuto SOM di campioni (< 2% C) o alta (36% C). Ad ogni passo successivo ossidazione, il colore del surnatante è destinato a cambiare da varie tonalità di viola/nero/arancio per accendino brunastro-rosso finché il colore giallo-verdastro originale di candeggina (cioè, gli anticorpi che diluire NaOCl).

Rettifica per ridurre e omogeneizzare la dimensione delle particelle del terreno può migliorare qualità spettrale riducendo la dispersione della luce dalle particelle di grandi dimensioni e inversione di fortemente assorbenti componenti31. Anche se una granulometria massima di 250-100 µm è stata considerata ottima per ridurre al minimo tali artefatti32, recenti valutazioni suggeriscono che rettifica oltre 2000 µm non migliora necessariamente la qualità spettrale per chemiometrica pronostici33, 34. Tuttavia, più finemente terra campioni di suolo possono ancora produrre avanzata (più nitide) picchi di assorbanza ed espositivo in diminuzione di assorbanza variabilità33, che dovrebbe beneficiare sottrazioni spettrale. D'altra parte, alcuni studi hanno trovato che la rettifica (ad es., a 200 µm) può indurre ulteriori eterogeneità nella distribuzione granulometrica di setacciatura standard (ad es., 2.000 µm)35,36. L'effetto di questa sulla qualità spettrale è probabilmente dipendono da esperimento obiettivi (ad es., interpretazione delle bande di assorbanza, chemiometrica previsione delle frazioni di C) e del terreno di proprietà (ad es., texture, mineralogia)29. È consigliabile che effetti di macinazione dimensioni su spettri di sottrazione essere valutati per un dato insieme di terreni e obiettivi. Il campione di terreno trattato utilizzato per lo spettro di riferimento minerale è probabile avere granulometria più fine rispetto il terreno non trattato corrispondente dovuto rottura degli aggregati tramite rimozione di SOM.

L'uso di campioni di terreno (non diluito) ordinata è diffuso l'uso della spettroscopia DRIFT a causa di una maggiore facilità di analisi e maggiore velocità di throughput. Diluizione del campione viene tradizionalmente eseguita per campioni di elevata purezza utilizzando sali di alogenuri di infrarosso-invisibile (ad es., KBr, NaBr, KI). Per caratterizzazione spettroscopica di DRIFT del componente organica del suolo, tuttavia, diluizione di sale ad alogenuri è meno vantaggiosa. Questo è perché la diluizione dei campioni tende a migliorare la risoluzione di assorbanza per componenti (minerali) dominante, ma non necessariamente quelli che rappresentano componenti minori (biologico)5,37. Tuttavia, ci possono essere benefici per la diluizione di campioni di terreno, che può essere valutato empiricamente per ogni campione5.

Per illustrare il ruolo del fattore di sottrazione (SF) nell'esecuzione di sottrazioni spettrale, considerare che gli spettri di sottrazione ottenuta per suolo un utilizzando lo spettro del suolo NaOCl ossidato come riferimento (Figura 3). Come la SF aumenta da 0 a 1, diminuire l'assorbanza delle bande corrispondenti ai minerali, in particolare minerale superficiale O-H a 3.618 cm-1 e Si-O a 1.880 e 808 cm-1. Contemporaneamente, aumenti di assorbanza per bande che rappresentano gruppi funzionali organici quali alifatici C-H stretch a 2.920 cm-1 e potenzialmente ammide C-N e N-H e/o aromatici C = C a 1.558 cm-1. Con l'aumento della scalabilità dello SF, tuttavia, inversioni di assorbanza minerali come Si-O alle 2100-1780 cm-1 emergono. Come NaOCl ossidazione rimosso 89% del totale SOC in un terreno con 2,2% C (tabelle 1, 2), e dato che SOM è stimato in 58% C38, può essere calcolato un SF teorico di 0,97. Tuttavia, non-linearità dell'assorbanza comporta sulla sottrazione di minerali caratteristiche utilizzando questo SF (Figura 3).

Un approccio più pratico è quello di determinare operativamente la SF basato sulla rimozione di una funzionalità di assorbanza minerale di 'annullamento' o zero-ing fuori un peak(s) di destinazione. Le caratteristiche di Si-O quarzo-come alle 2100-1780 cm-1 sono assorbanze minerale adatto destinazione perché essi derivare da vibrazioni fondamentali Si-O che sono meno suscettibili di speculare riflessione14,37. Ad esempio, in Figura 3, zero-ing di quarzo Si-O a 2.100 - 1.780 cm-1 suggerisce un SF nella gamma di 0.7 - 0.8 a essere più adatto per ridurre gli assorbimenti minerali dominanti rispetto la a priori SF di 0,97 calcolato dalla differenza di tra i due campioni di massa (cioè, SOM rimosso).

Trabocchetti potenziali nella scelta di un SF comprendono inversione e oversubtraction, entrambi comprovata da «picchi negativi» che assomigliano a un picco di upside-down o "W" forma14, o nel caso di sottrazione forte, un'immagine speculare dello spettro del terreno non trattato. Inversioni possono non essere possibile evitare complessivamente dal momento che questi sono comuni per Si-O a 1.150-800 cm-1, ma può essere ridotto al minimo. Inversioni dovrebbero essere notate come una regione non-grata per interpretazione spettrale22,39 perché in queste regioni assorbanza può riflettere come la sottrazione è stato eseguito più così di assorbire componenti, in particolare per minore costituenti quali om

Spettrale software moderni spettrometri FTIR di accompagnamento può essere utile per guidare ed eseguire sottrazioni. L'utilità di tale software si trova nella regolazione in tempo reale e iterativo di SFs durante la visualizzazione dello spettro di sottrazione risultante. Tuttavia, l'impostazione predefinita SF suggeriti dal software spettrale dovrebbe essere considerato con prudenza poiché i criteri software potrebbero non essere appropriati per gli obiettivi di esperimento e campioni come suoli (ad esempio, capacità di assorbimento non lineare, inversione delle caratteristiche minerali). Ad esempio, il particolare software utilizzato per calcolare gli spettri di sottrazione nella Figura 3 (vedere la tabella dei materiali) ha suggerito un SF di 1.45, basato su linearizzazione della linea di base nella conseguente sottrazione spettro40, che manca la obiettivo di zero-ing fuori Si-O alle 2100-1780 cm-1 per l'interpretazione di organiche assorbanze a 1.800-1.000 cm-1. È importante notare che la SF suggerito dal software è anche influenzato dalla gamma di numero d'onda selezionata per la sottrazione, perché il software ottimizza una sottrazione per la regione spettrale definita. Ulteriori vantaggi del software includono elaborazione spettrale trasformazioni (ad es., Kubelka-Munk, funzioni di risparmio energetico) per migliorare la qualità spettrale (ad es., linee di base lineare) prima di eseguire sottrazioni.

Lo spettro di riferimento minerale potrebbe contenere caratteristiche di assorbanza influenzati dal metodo di rimozione di SOM, con conseguenze per l'esecuzione e interpretazione spettrale sottrazioni. Confronto delle differenze tra spettri di riferimento minerali non trattati e calcinata (Figura 2) può aiutare a identificare quale di queste caratteristiche può essere dovuto gli artefatti di rimozione SOM. In contrasto con l'ossidazione di NaOCl, lampeggiante ha prodotto cambiamenti in bande di assorbimento che rappresentano gruppi funzionali minerali, in particolare superficie fillosilicato e intercalare O-H (3.700-3.600 cm-1), Al-OH (915 cm-1) e Si-O (796, 521 cm-1) . Bande di quarzo-simili Si-O (2.100-1,780, 1.159 cm-1) non ha esibito i profondi cambiamenti in assorbanza (intensità o numero d'onda) per ciascun trattamento.

Un esempio di sottrazione eccessiva e il rischio di non identificati artefatti derivanti dal metodo di rimozione SOM di scelta è dimostrata da incenerimento a 550 ° C nella Figura 4. Se zero-ing fuori quarzo-come Si-O a 2.100-1.780 cm-1 è realizzato con un SF di 0,76, un'inversione a forma di W prominente a 1.100-450 cm-1 suggerisce che l'interpretazione dello spettro di sottrazione dovrebbe essere limitato a > 1.200 cm-1. Come riferimento di spettro è stato ottenuto da incenerimento ad alta temperatura, perdita di minerali che superficie OH a 3.700-3.600 cm-1 (Vedi Figura 2) significa che questi picchi taglienti sono un artefatto che non dovrebbe essere un obiettivo a zero fuori. Tentativi di farlo saranno probabilmente compromesso altre regioni spettrali. Ad esempio, non riconoscendo la caratteristica a 3700-3600 cm-1 come un artefatto potrebbe motivare all'utente di aumentare a SF per ridurre (SF = 1,24) o tentativo di zero out (SF = 1,51) questo artefatto a scapito di over-sottraendo le restanti regioni spettrali, tra cui organiche assorbanze a 1800-1200 cm-1 (Figura 4).

È anche possibile over-sottrarre lo spettro di riferimento minerale, come nel tentativo di migliorare una banda specifica senza considerare gli effetti su altre regioni spettrali (Figura 5). Mentre questo può essere giustificato da obiettivi sperimentali (Vedi discussione), nell'esempio in Figura 5 di valorizzare il tratto C-H alifatico a 3000-2800 cm-1 'a tutti i costi' rende la parte restante degli spettri non interpretabili, compresa la regione corrispondente alla maggior parte dei gruppi funzionali organici rilevanti per caratterizzazione di SOM a 1.800-1.000 cm-1. Un indicatore di sovra-sottrazione è l'inversione d'approfondimento delle caratteristiche spettrali di là di inversione-incline Si-O bande come la SF aumenta da 0,81 a 1,35 a 1.72. Al contrario, la rimozione incompleta di queste bande di minerale di destinazione significa che è probabile che la SF insufficiente, come prova per la sottrazione eseguita con un SF di 0,32. Un SF di 0,81 idealmente zero-out il bersaglio Si-O caratterizza a 2.100-1.780 cm-1 , riducendo al minimo le inversioni.

Confronto degli spettri di sottrazione calcolato da spettri di riferimento ottenuti da incenerimento ad alta temperatura e ossidazione chimica indicare caratteristiche comuni impreziosite da sottrazione a 1.750-1.350 cm-1 riconducibili a gruppi funzionali organici, ma anche esibiscono le differenze a causa di alterazione dei minerali e potenzialmente la quantità di SOM rimosso (Figura 6). Si noti che un simile SF è stato ottenuto per sottrazioni utilizzando un riferimento minerale ottenuto da incenerimento (SF = 0,76, Figura 4) contro l'ossidazione di NaOCl (SF = 0,81, Figura 5). Per un determinato metodo di rimozione di SOM, le differenze sono visivamente evidente tra gli spettri di sottrazione di terreni di alta e bassa organiche che sono meno visibili o assenti negli spettri del terreno non trattato (Figura 6), corrispondente al alifatici C-H (tratto) presso 2916 cm-1e chetone e ammide C = O con possibili contributi di C = C coniugati a 1.647 cm-1, ammide C-N e N-H a 1.568 cm-1, C-H alifatici (curvatura) a 1.427 cm-1e fenolo e/o carbossilico C-O a 1.275 cm-1. È essenziale che gli spettri sottrazione essere inteso come un metodo operativo per valutare le variazioni relative a assorbimenti che possono essere assegnate a gruppi funzionali organici con certamente variano a seconda della gamma di tipo e assorbanza del campione (causa di potenzialmente bande di sovrapposizione)4.

Figure 1
Figura 1. Illustrazione di sottrazione spettrale per migliorare bande organici usando uno spettro a sfondo del terreno stesso dopo rimozione SOM da ossidazione chimica (NaOCl). Spettri di deriva sono stati raccolti senza KBr diluizione del campione di terreno. Il terreno è un Xerofluvent Mollic sotto uso agricolo nella valle di Sacramento in California (terreno di 22 mg C g-1 ). Spettri di sottrazione sono stati calcolati con un fattore di sottrazione di 1.0. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2. Confronto degli spettri di sfondo o riferimento arricchita di minerali per l'esecuzione di sottrazioni spettrale ottenuta con diversi metodi di rimozione di SOM. Comparazioni di suoli trattati e non trattati sono indicati per un orizzonte superficiale (Ap) di un Xerofluvent Mollic formata su misto alluvionale in California, Stati Uniti d'America (22 mg C g-1). Spettri corrispondono al suolo originario senza trattamento (in alto), seguita da suoli segue SOM rimozione trattamenti di ossidazione chimica (NaOCl) (al centro) e la combustione ad alta temperatura (550 ° C) (in basso). Spettri di deriva sono stati raccolti su campioni di terreno senza diluizione di KBr. Caselle grigie evidenziano caratteristica di bande di assorbanza minerale degli spettri del suolo, centrato a 3620 cm-1, 1870 cm-1 e 800 cm-1. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3. Esempio di aumentando il fattore di sottrazione (SF) a 0,1 intervalli da 0,1 (minima sottrazione) a 1.0 (uguale sottrazione di originale suolo spettro e del riferimento). La SF pesi il grado a cui lo spettro di riferimento (suolo A dopo riscaldamento a 550 ° C per 3 h) viene sottratto dall'originale spettro (non trattata) terreno (suolo A). Diminuisce il fattore di sottrazione, bande di assorbanza corrispondente ai minerali aumentano (del 3.618 cm-1, della 1.880 cm-1da pranzo, della 808 cm-1) e bande che rappresentano le sostanze organiche diminuiscono (2.920 cm-1, 1.558 cm-1, 1.240 cm-1 ). Spettri di deriva sono stati raccolti su campioni di terreno senza diluizione di KBr. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4. Esempi di over-sottrazione e il rischio di non identificati artefatti derivanti dal metodo di rimozione SOM (incenerimento a 550 ° C). Anche con zero-ing fuori quarzo-come Si-O a 2.100-1.780 cm-1 (scatola grigia) (SF = 0.76), un'inversione a forma di W prominente alle 1100-450 cm-1 (frecce) suggerisce l'interpretazione dello spettro di sottrazione deve essere limitato a > 1200 cm-1. Poiché lo spettro di riferimento è stato ottenuto da incenerimento ad alta temperatura (550 ° C), perdita di superficie minerale OH a 3.700-3600 cm-1 (scatola grigia) (Vedi Figura 2) indica che questo picco è un probabile un artefatto. Non riconoscendo la caratteristica a 3.700-3.600 cm-1 come un artefatto possa trarre in inganno l'utente per aumentare la SF per ridurre (SF = 1,24) o zero out (SF = 1,51) Questa caratteristica spettrale a scapito di oversubtracting le restanti regioni spettrali, anche biologici assorbanza a 1.200-1.800 cm-1. Gli elementi aggiuntivi da incenerimento includono una funzionalità alle 2300 cm-1 (freccia). Spettri di deriva sono stati raccolti su campioni di terreno senza diluizione di KBr. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5. Esempi di spettri di sottrazione ideale e non ideale utilizzando un riferimento minerale ottenuto per ossidazione di NaOCl. Sottrazione insufficiente (basso SF = 0.32) significa che importanti minerali assorbanze (caselle grigie) sono ancora presenti. Aumentando la SF a zero fuori quarzo-come SiO a 2.100-1.780 cm-1 (SF = 0,81) un equilibrio tra i criteri della rimozione di questo minerale assorbanza come proxy per minerali sovrapposizione a 1.800-1.000 cm-1, riducendo al minimo le inversioni di Si-O < 1.100 cm -1e mantenere una linea di base lineare. Nel tentativo di migliorare ulteriormente il C-H-tratto alifatico a 3.000-2.800 cm-1, il SF può essere aumentata (a 1,35 o 1.72), ma questo si traduce in oversubtraction di vari gradi. Gli spettri sono stati raccolti su campioni di neat (Nessuna diluizione di KBr) dalla spettroscopia di DRIFT. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Nella figura 6. Confronto degli spettri DRIFT di high (alto) e basso (in basso) materia organica terreni in mostra il potenziale di sottrazioni spettrale per migliorare l'interpretazione delle assorbanze organiche rispetto agli spettri di suolo originale in coppia. Differenze in assorbanza corrispondente al minerale (scatola grigia) e organici (linea tratteggiata) assorbanza bande sono evidenti tra alti e bassi suoli SOM e/o tra i tre spettri: spettri dei suoli (non trattati) originali e spettri ottenuti dalla sottraendo un riferimento minerale dallo spettro del terreno non trattato, utilizzando un terriccio arricchita di minerali per lo spettro di riferimento minerale ottenuto dalla combustione termica ('lampeggiante') o ossidazione chimica. Assorbanza organici che differiscono tra alta e bassa campioni SOM può essere ascritte alifatici C-H (2.916 cm-1), chetoni e/o con eventuali contributi di coniugati C = C (1.647 cm-1), ammide C-N e N-H e/o possibile aromatico C = C (C = O l'ammide 1.568 cm-1), alifatici C-H (1.427 cm-1) e carbossilici e/o fenolo C-O (1.275 cm-1). Terreni sono dall'orizzonte Ap di si formata da misto alluvionale della Valle di Sacramento (California, USA). Gli spettri sono stati raccolti su campioni di neat (Nessuna diluizione di KBr). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Terreno SOM
contenuto		 SOC
(mg g-1)		 C:N pH
(1:2, acqua)		 argilla
(mg g-1)		 sabbia
(mg g-1)
A Alta 22 9.4 6.5 166 133
B Basso 7 9.3 6.7 126 451
SOC, carbonio organico del suolo; C:N, rapporto di azoto carbonio

Tabella 1. Proprietà del suolo utilizzato per illustrare i metodi per sottrazione spettrale migliorare la caratterizzazione dei SOM usando la spettroscopia DRIFT. I terreni sono di mineralogia simile, ma presentano differenze nella concentrazione di materia organica. Terreni sono stati provati dall'orizzonte Ap di si formò il misto alluvionale in Sacramento Valley della California, Stati Uniti d'America.

Terreno OM
contenuto		 SOC
(mg g-1)		 Perdita di SOC (%)
NaOCl-bue incenerito
(500 ° C)
A Alta 22 -89.1 -96.5
B Basso 7 -82.5 -97.2
SOC, carbonio organico del suolo; NaOCl-bue, ipoclorito di sodio ossidato

Tabella 2. Esempio di variazione tassi di rimozione del SOM di combustione contro ossidazione chimica. Trattati per rimuovere la materia organica di campioni di terreno vengono utilizzati per acquisire uno spettro di riferimento arricchita di minerali per l'esecuzione di sottrazioni spettrale per migliorare la caratterizzazione della composizione di gruppo funzionale SOM usando la spettroscopia DRIFT.

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Discussion

Il metodo di rimozione SOM trasporta due considerazioni: 1) la quantità di SOM rimosso, e artefatti 2) assorbanza nel minerale risultante spettro di riferimento. È fortunatamente possibile — e probabilmente necessario — per identificare e quantità tali questioni al fine di evitare interpretazioni distorte della composizione SOM dallo spettro della sottrazione risultante. Idealmente, sottrazioni spettrale impiegherebbero un spettro di riferimento sola minerale per produrre uno spettro di som 'puro'. In realtà, lo spettro di sottrazione risultante Mostra assorbanza corrispondente alla SOM che sono migliorato rispetto l'originale spettro di suolo (non trattati). Questo è perché non lineare assorbanza di componenti minerali nei campioni di terreno impedisce completa sottrazione di tutti i minerali assorbanze. Artifactual assorbanze minerale e/o rimozione incompleta del SOM limita interpretazione delle caratteristiche di assorbanza specifica o l'interpretazione del pool totale SOM, rispettivamente.

Come testimoniano gli esempi riportati qui, i due metodi comuni per la rimozione di SOM per ottenere spettri di riferimento minerale (combustione termica o incenerimento e ossidazione chimica) tendono a generare un compromesso tra il grado di rimozione SOM e artefatti spettrali. Questi hanno conseguenze distinte per l'interpretazione degli spettri di sottrazione. Per lo stesso motivo che permette la perdita il metodo di accensione (LOI) di stimare il contenuto di SOM, incenerimento ad alta temperatura (≥ 350 ° C) rimuove quasi tutti SOM ma è probabile che altera le strutture cristalline di minerali e di conseguenza produrre cambiamenti nelle bande di assorbimento minerale. Come illustrato qui, questi si manifesterà come artefatti nello spettro sottrazione se sono diversi contributi spettrali da minerali prima e dopo l'incenerimento. La sensibilità termica dei minerali, che possono essere specifiche del minerale, impone un compromesso sull'utilità di sottrazioni spettrali calcolati con spettri di riferimento ottenuti da incenerimento, soprattutto alle alte temperature (ad es., 550 ° C). Minerale alterazioni specifiche minerali temperatura tipo e incenerimento includono dehydroxylation, crollo dello strato intermedio e disidratazione41,42,43e sono state documentate negli spettri dei terreni di mineralogia diversificata 10 , 28 , 44 , 45.

Informazioni su mineralogia di un campione di terreno possono essere utilizzate in anticipo per determinare una temperatura lampeggiante che evita o riduce alterazione minerale (ad es., crollo dello strato intermedio di caolinite a o superiore a 350 ° C). Gli elementi minerali possono essere identificati e anticipati sottoponendo un campione di terreno incenerimento alle diverse temperature e confrontando gli spettri risultanti con spettri di terreno non trattato e minerale puro standard10,46. Uno può anche vincolare mineralogia set campione al fine di mantenere gli artefatti di sottrazione che derivano da costante di incenerimento attraverso campioni di terreno. Infine, temperature inferiori di incenerimento (ad es., 350 ° C) possono essere utilizzate per migliorare alcune bande organico10,47. Simile a ossidazioni chimiche, l'uso di basse temperature generalmente ha un costo inferiore28 (tabella 2) e potenzialmente selettiva10 SOM rimozione.

Ossidazioni chimiche sono in generale meno probabilità di causare alterazione di minerali, in particolare per fillosilicati, ma possono influenzare altre frazioni minerali come gli ossidi di ferro (hydr). Se noti, la mineralogia di campioni di terreno dovrebbe essere considerata quando selezionando un ossidante. Ad esempio, ipoclorito di sodio può rimuovere quantità relativamente elevate di SOM con minima o nessuna dissoluzione di ossidi minerali, a differenza di altri ossidanti agenti (ad es., perossido di idrogeno)48,49,50 , 51. sono previsti questi effetti dipendono da mineralogia e/o SOM (ad es., un'alta percentuale di materia organica minerale associato può essere più resistente ad alcuni, ma non altre ossidazioni).

Il motivo per cui zero-ing le fasce minerale di destinazione è una migliore strategia che affidarsi a software-calcolato o a priori SFs è che questi debba essere regolato se bande di minerale di destinazione non vengono completamente rimosse. Come questo è comune per bande di minerali a causa di fillosilicato alte concentrazioni nei campioni di terreno e così non-lineare assorbanza in spettri (ad es., Si-O elastico a 1.100-950 cm-1)22, soprattutto per la diffusa pratica di analizzare ordinate campioni (Nessuna diluizione sale ad alogenuri), la regolazione dello SF devono essere esaminati per ridurre al minimo i minerali fasce secondo obiettivi sperimentali.

Spettrale sottrazioni offrono un miglioramento notevole sulla capacità degli spettri di terreno da utilizzare per interpretare gruppi funzionali organici che compongono SOM migliorando l'interpretabilità di assorbanza organico nelle regioni con assorbimenti minerale sovrapposti. Anche biologici bande anche se ad essere relativamente privo di minerali possono beneficiare sottrazioni spettrale. Ad esempio, il tratto C-H alifatico a 3.000-2.800 cm-1 è considerato essere la band organica meno confuso di minerale nel suolo spettri22, ma la sua risoluzione può ancora essere migliorata contrassegnato con sottrazioni spettrale52. Sfida all'interpretazione degli spettri FTIR di un campione chimicamente complesso come SOM non dovrebbe essere confusa con la limitazione del metodo o sue modifiche (ad es., sottrazioni) perché tale complessità è un attributo inerente di SOM, che anche sfida altri approcci spettroscopici (ad es., spettroscopia di risonanza magnetica nucleare)1,5.

Spettrale sottrazioni offrono una strategia unica per vincoli di indirizzo inerente all'analisi spettroscopica di SOM derivanti da minerale dominanza di campioni di terreno e con forte complementarità ad altri metodi con le proprie limitazioni distinte5, 14. Ad esempio, un approccio separato per migliorare l'analisi di spettroscopia FTIR di SOM è il pre-trattamento di suoli con acido fluoridrico (HF) per rimuovere una maggioranza della componente minerale. Poiché la demineralizzazione di campioni di terreno è routine per analisi spettroscopica NMR, i terreni di HF-trattato stessi spesso inoltre vengono analizzati da spettroscopia FTIR. Tuttavia, la demineralizzazione con HF può generare perdite significative di SOM che compromettono la sua utilità come un approccio autonomo53,54. Ad esempio, quasi un terzo del SOM di terreno A (tabelle 1 e 2) è stato rimosso durante HF trattamento5.

È importante notare che l'utilità di sottrazioni per l'analisi dei suoli è per migliorare la band potenziale biologico di interesse presso un wavenumber(s) particolare, piuttosto che cedere una sottrazione completa di tutto interferire minerale assorbanze55, 56,57,58. Per questo motivo, sottrazioni possono essere più o meno adatti per particolari regioni spettrali. Nguyen et al. 4 riconosciuti che sottrazioni erano probabili essere più utile per migliorare l'organiche bande a 1.800-1.600 cm-1, che Reeves III22 diagnosticata come una regione spettrale per il quale erano possibili anche con artefatti da sottrazioni accurate spettri di riferimento ottenuti da incenerimento ad alta temperatura. Assorbimenti di Si-O minerale in questa regione sottrarre con precisione, a differenza di altre regioni (ad esempio, 1.000-400 cm-1) a causa di assorbimento non lineare e inversioni di bande minerali come Si-O a 1.050-980 cm-1 37 ,59.

Una zona potenzialmente fruttuosa del lavoro futuro è sistematicamente le proprietà del suolo indirizzo dovute comportare artefatti campione specifico introdotti dal metodo di rimozione di SOM. La sfida principale di sottrazioni spettrale è la difficoltà di ottenere uno spettro di riferimento minerale che ha nei pressi o completa rimozione di SOM ancora minima o senza artefatti da rimozione di SOM. Metodi correnti di incenerimento ad alta temperatura e ossidazione chimica generano un compromesso tra questi due obiettivi. Identificare gli artefatti di mineralogia specifiche rilevabili negli spettri FTIR attraverso una gamma di SOM condizioni rimozione e tipi di suolo, nonché gli standard di minerale puri, sarebbe un primo passo verso stabilire raccomandazioni specifiche per suolo22. Metodi di rimozione SOM alternativi devono ancora essere studiato sistematicamente. Promettenti metodi di rimozione includono bassa temperatura lampeggiante (spesso eseguita sotto pressione bassa) e per ossidazioni chimiche, perossido di idrogeno e sodio Perossodisolfato14.

Spettri dei suoli demineralizzati utilizzando HF possono essere utilizzati per confrontare spettri di sottrazione, ottenuti con i vari metodi. HF può essere utilizzato per sciogliere e rimuovere una maggioranza della componente minerale di campioni di terreno, producendo un campione SOM-arricchita. Poiché lo spettro di un campione di terreno HF-trattati dovrebbe in teoria essere simile a uno spettro di sottrazione di suolo stesso utilizzando uno spettro di riferimento minerali ottenuto tramite rimozione completa di SOM, confrontando gli spettri del SOM ottenuti dalla demineralizzazione HF contro sottrazione potrebbe essere utilizzato per la convalida incrociata di bande di assorbanza, identificare gli artefatti e aumentare la fiducia in assegnazioni spettrale5, in particolare nelle regioni soggette a manufatti di sottrazione tramite inversione (< 1.200 cm-1). Tuttavia, la rimozione incompleta e/o selettiva di componenti minerali e organici durante il trattamento di HF significa che gli spettri dei suoli HF-trattati non possono offrire uno spettro di «obiettivo» di SOM, solo un confronto operativo che, non diversamente da sottrazioni spettrale, deve essere attentamente valutati alla luce dei potenziali artefatti.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Apprezziamo la guida da Dr. Randy Southard NaOCl ossidazione e varie discussioni di sottrazioni spettrale con 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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Migliorare la caratterizzazione spettroscopia infrarossa di materia organica del suolo con sottrazioni spettrale
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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).

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