Waiting
Login processing...

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

Environment

Forbedre infrarødspektroskopi karakteristikk av jord organisk materiale med spektral Subtractions

Published: January 10, 2019 doi: 10.3791/57464
Automatic Translation
1, 2, 3
1Department of Crop Sciences, University of Illinois Urbana-Champaign, 2Department of Land, Air and Water Resources, University of California Davis, 3Central Great Plains Resources Management Research, USDA ARS

Summary

SOM ligger til grunn mange jord funksjoner og prosesser, men dens karakterisering av FTIR spektroskopi er ofte utfordret av mineral interferens. Metoden beskrevet kan øke nytten av SOM analyse ved FTIR spektroskopi ved å trekke mineral forstyrrelser i jord spectra bruke empirisk innhentet mineral referanse spectra.

Abstract

Jord organisk materiale (SOM) ligger under mange jord prosesser og funksjoner. Fourier transformere infrarød (FTIR) spektroskopi registrerer infrarød-aktiv organisk obligasjoner som utgjør organisk komponenten av jord. Men skaper relativt lav organisk materiale innholdet i jord (vanligvis < 5% av masse) og absorbansen overlapping av mineraler og organiske funksjonelle grupper i regionen midt infrarød (MIR) (4000-400 cm-1) innholdsrik forstyrrelse av dominerende mineralet absorbances, utfordrende eller enda forebygge tolkning av spectra for SOM karakterisering. Spectral subtractions, en post-hoc matematiske behandling av spectra, kan redusere mineral forstyrrelser og forbedre oppløsning spectral regioner tilsvarer organisk funksjonelle grupper ved å fjerne matematisk mineral absorbances. Dette krever en mineral-beriket referanse spekteret, som kan empirisk oppnås for en gitt jordprøve ved å fjerne SOM. Mineral-beriket referanse spekteret trekkes fra det opprinnelige (ubehandlede) spektret av jordprøve å produsere et spekter representerer SOM absorbances. Felles SOM fjerning metoder inkluderer høy temperatur forbrenning ('Foraskning') og kjemiske oksidering. Utvalg av metoden SOM fjerning bærer to hensyn: (1) beløpet SOM fjernet, og (2) absorbansen gjenstander i mineralet referanse spectrum og dermed resulterende subtraksjon spekteret. Disse potensielle problemer kan og bør identifiseres og kvantifisert for å unngå fallacious eller partisk tolkninger av spectra for organisk funksjonsgruppe sammensetningen av SOM. Etter SOM fjerning, den resulterende mineral-beriket prøven brukes til å samle et mineral referanse spektrum. Det finnes flere strategier for å utføre subtractions avhengig av eksperimentelle mål og prøve egenskaper, særlig fastsettelse av subtraksjon faktor. Resulterende subtraksjon spekteret krever forsiktig tolkning basert på nevnte metodene. For mange jord og andre miljøprøver inneholder betydelige mineral komponenter, har subtractions sterk potensial til å forbedre FTIR spektroskopiske karakteristikk av organisk materiale komposisjon.

Introduction

Jord organisk materiale (SOM) er en mindre bestanddel av masse i de fleste jordprøver men er involvert i flere egenskaper og behandler underliggende jord-funksjoner, for eksempel næringsstoffer sykling og carbon sequestration1. Karakterisere sammensetningen av SOM er en av flere tilnærminger til å koble SOM dannelse og omsetningen med sine roller i jord funksjoner2,3. En metode for å karakterisere SOM sammensetningen er Fourier transformere infrarød (FTIR) spektroskopi, som tilbyr påvisning av funksjonelle grupper som utgjør organisk materiale i jord og andre miljøprøver (f.ekscarboxyl C-O, alifatisk C-H) 4. men nytten av FTIR spektroskopi for å avsløre SOM funksjonsgruppe sammensetning er utfordret av den dominerende mineral komponenten for fleste jord (vanligvis > 95% masse) på grunn av sterk uorganiske absorbances som utfordrer eller sterkt begrense gjenkjenning og tolkning av organisk absorbances.

Spectral subtractions tilbyr en måte å forbedre FTIR spektroskopiske karakteristikk av organisk materiale i jord prøvene. Trekke mineral absorbances fra jord spekteret kan brukes til å forbedre absorbances av organisk funksjonelle grupper rundt i analysen av SOM sammensetning

(Figur 1).

Fordelene med spektral subtractions over standard FTIR spektroskopi (dvs., jord spectra) inkluderer:

(i) forbedret oppløsning og tolkning av organisk absorbansen band sammenlignet med normal jord spectra. Om tolkningen av organisk band i jord spectra kan utføres av forutsatt at de relative forskjellene i absorbansen er på grunn av forskjeller i organisk funksjonelle grupper, begrenser dette sammenligninger til prøver med samme mineralogi og relativt høy SOM innhold, og kan være mindre følsomme for endringer i organisk band, selv de anses å være relativt mineral-fri (f.eks alifatisk C-H strekk)5

(ii) analyse av jord utenfor høy smakebiter eller organisk beriket saken ekstrakter eller brøker

(iii) merke endringer forårsaket av eksperimentelle behandlinger fra mesocosm til feltet skalerer6

Flere programmer med spektral subtractions i FTIR analyse av SOM inkluderer utfyller strukturelle og molekylære karakteristikkene (f.eks, NMR spektroskopi, massespektrometri)5,7, identifisere den sammensetning av SOM fjernet av en utvinning eller destruktive fraksjoneres8, og fingeravtrykk SOM komposisjon for rettsmedisinske formål9. Denne metoden gjelder en rekke mineral-organisk blandinger utover jord, inkludert sediment10, torv11og kull12,13.

Potensialet i spektral subtractions å forbedre FTIR spektroskopiske karakteristikk av SOM demonstreres med eksempler av organisk materiale fjerning hente mineral referanse spectra, og deretter bruke disse mineral referanse spectra, utføre og evaluerer ideell og ikke-ideelle spectral subtractions. Denne demonstrasjonen fokuserer på diffus refleksjon infrarød Fourier transform (DRIFT) spectra samlet i regionen midt infrarød (MIR, 4000-400 cm-1), som dette er en utbredt tilnærming for analyse av jord prøvene4.

De to eksempel metodene for SOM fjerning for å få en mineral-beriket referanse spekteret er (i) høy temperatur forbrenning ("Foraskning") og (ii) kjemiske oksidasjon, bruker fortynne natriumhypokloritt (NaOCl). Det bør bemerkes at dette er eksempler på vanlig ansatt SOM fjerning metoder, i stedet for preskriptiv anbefalinger. Andre metoder for SOM fjerning kan tilby redusert mineral gjenstander og/eller forbedret fjerning priser (f.eks, lav temperatur Foraskning)14. Høy temperatur Foraskning var en av de første metodene brukes til å hente mineral-beriket referanse spectra for utføre subtractions, utgangspunktet for OM-beriket prøver avledet fra jord (f.eksoppløst organisk materiale, søppel)15, 16 etterfulgt av sin søknad til bulk jord prøver17,18. Eksempel kjemiske oksidasjon å fjerne SOM er basert på metoden NaOCl oksidasjon beskrevet av Anderson19. Dette ble opprinnelig utviklet som en forbehandling for å fjerne organisk materiale i jord prøvene før X-ray Diffraksjon (XRD) analyse, og har blitt undersøkt som en potensiell kjemiske fraksjoneres følsom for SOM stabilisering20, 21. både høy temperatur fjerning og kjemiske oksidasjon ved hjelp av NaOCl kan medføre jord-spesifikke gjenstander og har begrensninger på spectral tolkning som bør vurderes når du velger en metode SOM fjerning14, 22.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. klargjør jord for ikke-behandlede DRIFT spektroskopi og SOM fjerning

  1. Sil jord til < 2 mm bruker et rustfritt stål nett ('fin-earth brøken').
    Merk: Denne demonstrasjonen benytter to jord lik struktur, men en nesten 3 ganger forskjell i totalt SOM innhold (tabell 1).

2. SOM fjerning av kjemiske oksidasjon: eksempel på NaOCl

  1. Justere pH i 6% w/v NaOCl til pH 9,5 ved å legge 1 M HCl dropwise løsningen mens miksing og måle med en pH-meter.
    Merk: De fleste kommersielle blekemidler (f.eksClorox) passer i kvalitet og konsentrasjon (vanligvis 3-7% NaOCl v/v) men vil ha pH > 12. Som NaOCl oksidering av organisk materiale er pH-avhengig, og pH 9,5 anbefales for bruk med jord prøvene19,23, er det nødvendig å justere pH i de fleste kommersielt tilgjengelige blekemidler.
  2. Legge til 25 mL NaOCl (6% w/v, pH 9,5) 4 g jord (soldet, lufttørkes) i en 50-mL konisk rør og bland med sonication (600 s, output frekvensen 20 kHz, makt 200 W).
  3. Inkuber blandingen i varmt vann bad (15 min, 80 ° C) for å øke oksidasjon rate.
  4. Sentrifuger å få et klart nedbryting (f.eks15 min på 4000 × g for grovere teksturerte jord, romtemperatur). Manuelt Dekanter nedbryting i en avfallsbeholderen.
    Merk: Konsentrasjonen av NaOCl i nedbryting (konservativt forutsatt ingen oksidering og dermed ingen forbruk av NaOCl) er det samme som kommersielt tilgjengelig blekemiddel for husholdningsbruk. Finere teksturerte jord kan kreve lengre sentrifugering tid (f.eksopptil en ekstra 15-30 min) med en gitt sentrifuge hastighet (f.eks, 4000 × g) for å få en klar nedbryting.
  5. Gjenta trinn 2.3 og 2.4 to ganger for totalt tre oksidasjon trinn.
  6. Etter siste oksidasjon trinn, legge til 20 mL vaskebuffer H2O (dH2O) jord og miks for 5 min med en horisontal shaker (120 rpm). Sentrifuger i 15 min på 4000 × g og romtemperatur. Gjenta for totalt 3 behandlinger.
  7. Bruker en spatula og dH2O fra en sprøyting flasken nødvendig trekke ut og vaske ut jord pellet fra bunnen av sentrifuger røret i en plast veie båt (eller en annen container med høye areal). Ovnen tørr (60 ° C maksimal, 48t) til en lufttørket tilstand.
  8. Når jordprøve er tørket, kvantifisere totale organisk karbon innholdet av forbrenningsgass Ture bruker en C/N analyzer24. Beregne SOM fjerning som forskjellen i organisk karbon konsentrasjon før og etter oksidering behandling.
    Merk: På grunn av tap av organisk materiale og jord struktur, jord blir utsatt for skorpedannelse, spesielt for jord med lav sand innhold. Det kan være nødvendig å bruke lett trykk og/eller hånd sliping å re homogenize crusted jord. Jord med uorganiske karbon (dvs. karbonater) krever flere trinn for kvantifisere organisk karbon av forbrenningsgass Ture25,26.

3. SOM fjerning av høy temperatur forbrenning

  1. Mål ~ 1-2 g jord (soldet, lufttørkes) i en porselen smeltedigel ved hjelp av en slikkepott.
  2. Varme på 550 ° C for 3t bruker en dempe ovn.
    Merk: Dette er et eksempel betalingsmåte SOM fjerning ved hjelp av forbrenning ved relativt høy temperatur. Se diskusjon på alternative prosedyrer (f.eks, temperatur).

4. DRIFT spektroskopi

Merk: For eksempel FTIR spectrometer programvaren som er oppført i Tabellen av materialer brukes.

  1. Erverve spektra av ubehandlet jord og mineral beriket referanse utvalg (behandlet for å fjerne SOM).
    1. Forberede jord prøvene.
      1. Fortynne prøvene (valgfritt).
        1. Bruk analytisk karakteren KBr (eller andre metallhalid salt) tørket på 105 ° C og lagret i en desiccator å fjerne gjenværende fuktighet. For jordprøver, kan effektiv KBr fortynninger oppnås på en rekke 1-33%, i motsetning til < 1% for ren forbindelser.
        2. Bland jord og KBr for en siste utvalgsstørrelsen 100-400 mg. For eksempel for en 3% fortynning, forsiktig slipe 12 mg av tørr prøve med 60 mg av KBr for 60 s med en agat morter. Deretter "fold i" 328 mg KBr til fullt homogenize prøven.
        3. Bruke serielle fortynninger med KBr for å få en høy siste fortynning rate (< 1%). Utføre Repliker fortynninger for å sikre reproduserbarhet, spesielt siden fortynnede prøver bruker 101-102 mindre jord enn pen prøver.
      2. Grind ubehandlede og behandlet jordprøver til lignende konsistens hånd sliping og sikting (f.eks, 250 µm ved hjelp av en 60 # sil).
        Merk: Forhold til hånden er sliping, større konsistens tilrettelagt av automatisering, spesielt av ballen fresing. Men den relativt lille mengden jord brukes SOM fjerning (f.eks, 1-3 g for Foraskning på grunn av smeltedigel volum) betyr at hånden sliping kan være mer praktisk.
    2. Samle bakgrunn spekteret.
      1. Laste inn en prøve av KBr (bakken på samme måte som jordprøver (se 4.1.1.2) for å etterligne jord matrix effekter) i en prøve kopp eller platen godt.
        Merk: "Bakgrunn spektrum" er forskjellig fra mineral-beriket referanse spekteret (se 4.1.3) brukes for å utføre subtractions. Bakgrunn spekteret brukes programvare å fjerne atmosfæriske og andre ambient absorbances under samling av spectra på jord prøvene. Alle programvare beskrivelser er spesifikke for valgt programvare og må tilpasses andre programvare.
      2. Tømme spectrometer kammeret CO2- og H2O-skrubbet air (via en purge gass generator) eller N2 gass for mer konsekvent samlingen forhold. Samling av spectra under ambient atmosfære kan for eksempel innebære små svingninger i luftfuktighet og CO2 som kan føre til endringer i absorbansen spectra.
        NOTE Nyere spektrometre kan ha speil (f.eks, gull, SiC) som potensielt kan redusere effekten av luftfuktighet.
      3. Samle en bakgrunn spektrum med samme detektor og oppkjøp parameterinnstillinger, inkludert skanning tall, wavenumber område og oppløsningen, som brukes til å samle spektra av eksempler.
        1. Åpne rullegardinmenyen for eksperimentet og velg ønsket eksperimentelle samling metoden (f.eks, vinningen måte).
          Merk: I dette eksemplet bruker valgte spectrometer (se Tabell for materiale), valgte er IS50 Main kupé.
        2. Klikk Eksperimentelle installasjonsikonet for å velge spectral oppkjøpet parametere.
        3. Under kategorien samle Kontroller at antall skanninger og oppløsning er passende for eksperimentelle formål; for eksempel er en vanlig innstilling for DRIFT spektra av pen jord 128 skanner 4 cm-1 oppløsning. Klikk Ok for å lagre endringer.
        4. Klikk ikonet Samle bakgrunn for å samle en bakgrunn spektrum. Lagre bakgrunn spekteret for bruk i samlingen av spektra av jord (behandlet og ubehandlet).
    3. Erverve spektra av jord prøvene.
      Merk: Bruk de samme parameterne for oppkjøpet for å samle bakgrunn og prøve (ubehandlet jord, mineral-beriket jord) spectra. Forskjeller mellom detektorer oppkjøp og oppløsning utgjør avveininger som påvirker samling tid og spectral kvalitet. Typisk skanning tall for jord spectra varierer fra 128-512 skanninger. Skanning antallet kan reduseres og gjentak gjennomsnitt for å få et samlet mål skanning tall. For eksempel to analytisk gjentak - det samme utvalget i to separate brønner - kan samles ved hjelp av 64 skanner og gjennomsnitt for totalt 128 skanninger.
      1. Laste jordprøve. For å sikre konsekvent lasting og minimere overflateruhet, hell prøver i prøven koppen (eller vel) til poenget med litt overfylling over leppe eller kanten av koppen. Deretter overflaten glatt jord i koppen med en flat kant (f.eks, razor) slik at høyden på jord prøve i cup er jevnt med kanten av koppen.
        Merk: På grunn av samspillet av infrarødt lys med en matrise som jord i diffus refleksjon modus, prøve lasting kan påvirke DRIFT spectra. Prøver bør ikke tamped eller utsatt for press fordi pakking tetthet kan påvirke absorbance. Finere partikkelstørrelse prøver sikrer større brukervennlighet overflaten utjevning (se 4.1.2.1). Avhengig av spectrometer modellen og eksempel tetthet, vil masse prøven som er nødvendig for å fylle en prøve kopp variere fra 300 til 600 mg. Ved plate brønner avhengig dette også godt størrelsen. Plater med flere brønner vil ha mindre brønner og vil derfor kreve mindre utvalg. 96-brønns platene har for eksempel vanligvis et godt volum av 360 µL mens 24-og platene har godt 3,4 mL.
      2. Samle spektra av ubehandlet og behandlet jordprøver. Første sjekk bakgrunnen spekteret innsamlet tidligere (se 4.1.2.3.4) brukes. Klikk eksperimentelle oppsett. Under kategorien samle velge Bruk angitt Bakgrunnsfil og laste filen bakgrunn spektrum. Klikk Ok for å lagre endringer. For å starte spectral samling på jord, klikk Samle prøven.
        Merk: Re-load samme prøven i forskjellige godt eller prøve cup å samle til Repliker spectra til spredning gjenstander produsert ved overflateruhet og variasjon i matrix tetthet.
  2. Utføre spectral subtractions.
    Merk: subtraksjon faktor (SF) veier graden som absorbances i mineral referanse spekteret er trukket fra absorbances på de tilsvarende wavenumber i spekteret av ubehandlet jord. For subtractions fokusert på å forbedre oppløsningen av organisk absorbances å karakterisere SOM, anbefales det å benytte helheten av MIR by av de fleste spektrometre (f.eks, 4000 til 650 eller 400 cm-1, avhengig av detektoren). De neste trinnene beskriver en empirisk metode for å bestemme SF. Alle programvare beskrivelser er spesifikke for valgt programvare og må tilpasses andre programvare.
    1. Null ut topper ved hjelp av alternativet subtraksjon av program endre subtraksjon faktoren (SF) for å minimere eller redusere en mål mineral topper og/eller mineral topper og/eller maksimere en lineær planlagte14.
    2. Samtidig velge til ubehandlet og behandlet jord spectra og klikk trekk fra ikonet (øverst i midten av skjermen), første spekteret valgt (ubehandlet jord) blir spekteret som andre spekteret (behandlet jord) vil bli trukket.
    3. Bruke den loddrette pinnen eller piler å øke eller redusere SF (venstre på skjermen). Observere endringer i forhåndsviste subtraksjon spekteret.
      1. Bruk denne iterativ funksjon for å finne en passende SF som beskrevet i Representant resultater. Den numeriske SF-verdien vises i baren pinnen. For å justere området av SF verdiene, kan du bruke knappene finere og Coarser .
    4. Klikk Add (øvre høyre på skjermen) for å laste inn beregnede subtraksjon spekteret i et vindu.
      Merk: Siden fleste av absorbances ikke er lineær med konsentrasjonen i de fleste (hvis ikke alle) jordprøver, det er vanligvis ikke mulig å fjerne alle mineral topper. Det anbefales at mineral topper vurdert mindre utsatt for inversjon (f.eks kvarts-lignende Si-O på 2.100-1,780 cm-1)14 brukes som mål toppen for å null ut ved å justere SF.
    5. Post og rapporten metodologiske detaljer om hvordan subtraksjon ble utført med tilstrekkelig detalj slik at uavhengige beregning av samme subtraksjon spekteret fra ubehandlet jord spekteret, inkludert: (1) wavenumber region som er brukt for subtraksjon, (2). den SF eller utvalg av SFs brukte, og (3) (mineral) topp eller region mål for null-ing ut.
      Merk: En god test av påliteligheten av en subtraksjon er å ha den utføres på nytt av samme bruker og/eller uavhengig av en annen bruker bruker parameterne rapporterte subtraksjon.
  3. Tolke til spectra.
    1. Utføre spectral tolkning bruke ulike ressurser tilgjengelig for å analysere og tolke de resulterende subtraksjon spectra, i bestemte tildelinger for absorbances til organisk funksjonsgrupper4.
      Merk: Andre bruksområder for subtraksjon spectra inkluderer multivariat analyse (f.eks, viktigste komponenten analyse), chemometric prediksjon av jord analytter27, og selv rettsmedisinske fingeravtrykk9.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Metoden SOM fjerning har praktisk likeledes idet teoretisk implikasjoner for tolkningen av subtraksjon spectra. For eksempel mineral endringer fra høy temperatur Foraskning kan fortone seg som tap eller opptredener av topper og/eller som skiftet eller utvidet topper i mineral referanse spektrum. Disse spectral gjenstander er liggende å oppstå i områder av overlapping med organisk band på 1600-900 cm-1,22 at tolkning av organisk band. Vanlige endringer av band etter høy temperatur Foraskning (≥ 550 ° C) tydelig i figur 2 og inkluderer tap av OH topper på 3700-3600 cm-1, og topp tap og Skift i gitteret Si-O og Al-O topper på 1050-800 cm-1. På den annen side, SOM fjerning ved hjelp av kjemiske oksidasjon tendens til å bevare mineral funksjonelle grupper og dermed risikerer færre gjenstander (se diskusjon). Men kommer dette vanligvis til en pris lavere SOM fjerning28, som gjenspeiles for eksempel jord (tabell 2). Dette begrenser tolkning av organisk funksjonsgruppe komposisjon i subtraksjon spektrum til mindre enn totalt SOM bassenget.

Kjemiske oxidations kan være et attraktivt alternativ til Foraskning for innredning mineral bakgrunn fordi de vanligvis beholde mineral strukturen og dermed unngå artifactual absorbans funksjoner i referanse spectra og dermed den resulterende subtraksjon spekteret14,22. For eksempel jord en tapt 89% av jord organisk karbon (SOC) av NaOCl oksidasjon sammenlignet 97% av Foraskning (tabell 2) samtidig bevare mineral absorbansen funksjoner forandret av Foraskning (figur 2). På den annen side, preget ufullstendig og potensielt selektiv fjerning av SOM betyr at NaOCl-resistente organisk materiale ikke5,29,30, som krever forsiktig tolkning av subtraksjon spekteret14. Kvantifisere SOM kan tap med hver ekstra oksidasjon behandling utført brukes til å identifisere det optimale antallet Oksidativt behandlinger SOM fjerning. Evaluering av metoden for eksempel-oksidasjon bruker NaOCl viste at SOM fjerning plateaued etter 3 oksidasjon trinn uavhengig av om SOM innholdet i prøvene var lav (< 2% C) eller høy (36% C). Med hver påfølgende oksidasjon trinn, fargen på nedbryting er sannsynlig å endre fra ulike nyanser av lilla/svart/orange til lysere brun-rød til den opprinnelige greenish-gul fargen med blekemiddel (dvs. Ureagert fortynnet NaOCl).

Sliping for å redusere og homogenize jord partikkelstørrelse kan forbedre spectral kvalitet ved å redusere lysspredning fra store partikler og inversjon av sterkt absorbere komponenter31. Selv om en maksimal partikkelstørrelse på 250-100 µm har blitt vurdert optimalt å minimere slike gjenstander32, foreslå siste vurderinger at sliping utover 2000 µm ikke nødvendigvis forbedrer spectral kvalitet for chemometric spådommer33, 34. Men mer fint bakken jordprøver kan fortsatt gi forbedret (skarpere) absorbansen topper og utstillingen redusert absorbansen variasjon33, som forventes å nytte spectral subtractions. På den annen side, har noen studier funnet at sliping (f.ekstil 200 µm) kan indusere flere heterogene i partikkel størrelsesDistribusjon enn standard sikting (f.eks, 2000 µm)35,36. Effekten av dette på spectral kvalitet trolig avhenge av eksperimentet mål (f.eks, tolkning av absorbansen band, chemometric prediksjon av C brøker) og jord egenskaper (f.eks, tekstur, mineralogi)29. Det anbefales at effekten av sliping størrelse på subtraksjon spectra vurderes for et gitt sett av jord og mål. De behandlet jordprøve brukes for mineral referanse spekteret er sannsynlig å ha finere partikkelstørrelse enn tilsvarende ubehandlet jord på grunn av avbrudd av aggregater av SOM fjerning.

Bruk av pen (ufortynnet) jordprøver er utbredt i bruk av DRIFT spektroskopi på grunn av enklere analyse og høyere gjennomstrømningshastighet. Eksempel fortynning utføres tradisjonelt høy renhetsgrad prøver ved infrarød-usynlig metallhalid salter (f.eksKBr, NaBr, KI). For DRIFT spektroskopiske karakterisering av organisk komponenten av jord, men er metallhalid salt fortynning mindre fordelaktig. Dette er fordi fortynning av prøver pleier å forbedre oppløsningen på absorbances for dominerende (mineral) komponenter, men ikke nødvendigvis de representerer mindre (organisk) komponenter5,37. Likevel, det er fordeler for fortynning av jordprøver, som kan evalueres empirisk for hver eksempel5.

For å illustrere rollen av subtraksjon faktor (SF) utfører spectral subtractions, vurdere subtraksjon spectra får for jord en spekteret av NaOCl oksidert jord som referanse (Figur 3). Som SF øker fra 0 til 1, redusere absorbansen band tilsvarer mineraler, særlig mineral overflaten O-H på 3,618 cm-1 og Si-O i 1880 og 808 cm-1. Samtidig, strekke absorbansen øker for band som representerer organisk funksjonelle grupper som alifatisk C-H på 2,920 cm-1 og potensielt amid C-N og N-H og/eller aromatiske C = C på 1,558 cm-1. Med økende skalering av SF, men dukke inversjon av mineral absorbances som Si-O på 2100-1780 cm-1 . Som NaOCl oksidasjon fjernet 89% av totale SOC i jord med 2,2% C (tabell 1, 2), og gitt at SOM er anslått til 58% C38, en teoretisk SF av 0,97 kan beregnes. Imidlertid resulterer ikke-linearitet av absorbansen i over subtraksjon av mineral funksjoner ved hjelp av denne SF (Figur 3).

En praktisk tilnærming er å avgjøre operativt SF basert på fjerning av en mineral absorbansen funksjon av 'avlyse' eller null-ing ut en målet peak(s). Quartz-lignende Si-O funksjonene på 2100-1780 cm-1 er egnet mål mineral absorbances fordi de oppstår fra grunnleggende Si-O vibrasjoner som er mindre utsatt for specular refleksjon14,37. For eksempel i Figur 3null-ing av kvarts Si-O 2.100-1,780 cm-1 antyder en SF mellom 0,7 - 0,8 å være mer egnet for å redusere de dominerende mineral absorbances enn det en priori SF av 0,97 beregnes fra forskjellen i masse (dvs., SOM fjernet) mellom de to jord prøvene.

Potensielle fallgruver i å velge en SF inversjon og oversubtraction, begge dokumentert av "negativ topper" som ligner en opp-ned toppen eller "W" figur14eller ved sterk subtraksjon, et speilbilde av ubehandlet jord spekteret. Inversjon kanskje ikke mulig å unngå helt siden disse er vanlig for Si-O på 1150-800 cm-1, men kan minimeres. Inversjon burde være bemerket som en region hugg - for spectral tolkning22,39 fordi i disse regionene absorbansen kan gjenspeile hvordan subtraksjon ble utført mer så enn absorbere komponenter, spesielt for mindre bestanddeler som OM.

Spectral programvare følger moderne FTIR spektrometre kan være nyttig å lede og gjennomføre subtractions. Nytten av slik programvare ligger i sanntid og iterative justering av SFs mens resulterende subtraksjon spekteret. Men bør standard SF foreslått av spectral programvare betraktes med forsiktighet fordi programvaren vilkåret ikke kan være passende for eksperimentet mål og eksempler som jord (f.eks, ikke-lineær absorbansen, inversjon av mineral funksjoner). For eksempel bestemt programvare brukes til å beregne subtraksjon spectra i Figur 3 (se tabell over materialer) foreslo en SF av 1.45, basert på linearization til opprinnelig plan i den resulterende subtraksjon spektrum40, som savner den Målet med null-ing ut Si-O på 2100-1780 cm-1 for tolkning av organisk absorbances på 1800-1000 cm-1. Det er viktig å merke seg at SF foreslått av programvare er også påvirket av fjellkjeden wavenumber valgt for subtraksjon fordi programvaren optimaliserer en subtraksjon for definerte spectral regionen. Ytterligere fordeler av programvare inkluderer spectral behandling transformasjoner (f.eksKubelka-Munk, makt funksjoner) for å forbedre spectral kvalitet (f.eks, lineær grunnlinjene) før du utfører subtractions.

Mineral referanse spekteret kan inneholde absorbansen funksjoner påvirket av metoden SOM fjerning, med konsekvenser for utføring og tolke spectral subtractions. Sammenligning av forskjeller mellom ubehandlede og ashed mineral referanse spectra (figur 2) kan bidra til å identifisere hvilke av disse funksjonene kan skyldes gjenstander av SOM fjerning. I motsetning til NaOCl oksidasjon, Foraskning produsert endringer i absorbansen band som representerer mineral funksjonelle grupper, spesielt phyllosilicate overflate og interlayer O-H (3700-3600 cm-1), Al-OH (915 cm-1) og Si-O (796, 521 cm-1) . Quartz-lignende Si-O band (2100-1,780, 1,159 cm-1) ikke viser merkede endringer i absorbansen (intensitet eller wavenumber) for enten behandling.

Et eksempel på over subtraksjon og risikoen for uidentifisert gjenstander fra SOM fjerning metoden for valg er demonstrert for Foraskning på 550 ° C i Figur 4. Om null-ing ut kvarts-lignende Si-O på 2.100-1,780 cm-1 oppnås med en SF av 0.76, antyder en fremtredende W-formet inversjon på 1100-450 cm-1 at tolkning av subtraksjon spekteret bør begrenses til > 1200 cm-1. Som referanse ble spektrum oppnådd ved høy temperatur Foraskning, tap av overflaten OH på 3700-3600 cm-1 (se figur 2) betyr at disse skarpe topper er en gjenstand som ikke skal være et mål å null ut. Forsøk å gjøre det vil sannsynligvis skade andre spectral regioner. For eksempel ikke anerkjenne funksjonen på 3700-3600 cm-1 som en gjenstand kan motivere brukeren å øke i SF å redusere (SF = 1.24) eller forsøk å null ut (SF = 1,51) denne gjenstand på bekostning av over trekke de gjenværende spectral regionene, inkludert organisk absorbances på 1800-1200 cm-1 (Figur 4).

Det er også mulig å trekke over mineral referanse spekteret, som å forbedre en bestemt band uten å vurdere virkningene på andre spectral regioner (figur 5). Mens dette kan bli rettferdiggjort av eksperimentelle mål (se diskusjon), gjengir eksemplet i figur 5 for å styrke alifatisk C-H strekningen på 3000-2800 cm-1 "for enhver pris" den gjenstående delen av til spectra uninterpretable, inkludert regionen tilsvarer fleste organiske funksjonelle grupper relevant for SOM karakterisering på 1800-1000 cm-1. Angir over subtraksjon er dypere inversjon av spectral funksjoner utover inversjon utsatt Si-O band som SF øker fra 0,81 til 1.35 til 1.72. Derimot ufullstendig fjerning av disse mål mineral band betyr at SF er trolig utilstrekkelig, som bevis for subtraksjon utført med en SF av 0,32. En SF av 0,81 ideelt null-outs ut målet Si-O har på 2.100-1,780 cm-1 samtidig minimere inversjon.

Sammenligning av subtraksjon spectra beregnet fra referanse spectra ved høy temperatur Foraskning og kjemiske oksidasjon angi vanlige funksjoner forbedret ved å trekke på 1,750-1350 cm-1 ascribable til organisk funksjonelle grupper, men også viser forskjellene skyldes endring av mineraler og potensielt mengden SOM fjernet (figur 6). Merk at en lignende SF ble innhentet for subtractions bruker en mineral referanse ved Foraskning (SF = 0.76, Figur 4) versus NaOCl oksidasjon (SF = 0,81, figur 5). For en gitt metode for SOM fjerning, forskjellene er visuelt tydelig mellom subtraksjon spektra av høyt og lavt organisk materiale jord som er mindre synlig eller fraværende i ubehandlet jord spectra (figur 6), tilsvarer alifatisk C-H (strekk) på 2916 cm-1, og keton og amid C = O med mulige bidrag av konjugert C = C 1,647 cm-1, amid C-N og N-H på 1,568 cm-1, alifatisk C-H (bøye) på 1,427 cm-1, og fenol og/eller carboxyl C-O på 1,275 cm-1. Det er viktig at subtraksjon spectra forstås som en operative metoder å vurdere relativ endringer i absorbances som kan tilordnes organisk funksjonelle grupper med varierende absolutt avhengig av prøven type og absorbansen utvalg (grunn potensielt overlappende band)4.

Figure 1
Figur 1. Illustrasjon av spectral subtraksjon å forbedre organisk band med en bakgrunn spekteret av samme jord etter SOM fjerning av kjemiske oksidasjon (NaOCl). DRIFT spectra ble samlet uten KBr fortynning av jordprøve. Jorden er en Mollic Xerofluvent under landbruket i Sacramento Valley California (22 mg C g-1 jord). Subtraksjon spectra ble beregnet med en subtraksjon faktoren av 1.0. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2. Sammenligning av mineral-beriket bakgrunn eller referanse spectra for å utføre spectral subtractions oppnås ved SOM fjerning metoder. Sammenligninger av behandlet og ubehandlet jord vises for en overflate horisonten (Ap) på en Mollic Xerofluvent dannet på blandet alluvium i California, USA (22 mg C g-1). Spectra tilsvarer opprinnelige jord uten behandling (øverst), etterfulgt av jord etter SOM fjerning behandlinger av kjemiske oksidasjon (NaOCl) (midten) og høy temperatur forbrenning (550 ° C) (nederst). DRIFT spectra ble samlet på jordprøver uten KBr fortynning. Grå bokser markere mineral absorbansen band karakteristisk for jord spectra, sentrert på 3620 cm-1, 1870 cm-1 og 800 cm-1. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3. Eksempel på økende subtraksjon faktoren (SF) med 0,1 mellomrom fra 0,1 (minimal subtraksjon) 1.0 (lik subtraksjon av opprinnelige jord spectrum og referanse spektrum). SF vekter graden som referanse spekteret (jord A etter oppvarming på 550 ° C 3 h) trekkes fra det opprinnelige (ubehandlede) jord spektret (jord A). Subtraksjon faktoren reduserer, absorbansen band tilsvarer mineraler øke (3,618 cm-1, 1880 cm-1, 808 cm-1), og band som representerer organiske redusere (2,920 cm-1, 1,558 cm-1, 1240 cm-1 ). DRIFT spectra ble samlet på jordprøver uten KBr fortynning. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4. Eksempler på over subtraksjon og risikoen for uidentifisert gjenstander fra SOM fjerning metoden (Foraskning på 550 ° C). Selv med null-ing ut kvarts-lignende Si-O på 2.100-1,780 cm-1 (grå boks) (SF = 0.76), en fremtredende W-formet inversjon på 1100-450 cm-1 (piler) antyder tolkning av subtraksjon spekteret bør begrenses til > 1200 cm-1. Siden referanse spekteret ble innhentet av høy temperatur Foraskning (550 ° C), tap av mineral overflaten OH på 3700-3600 cm-1 (grå boks) (se figur 2) angir at denne toppen er en sannsynlig en gjenstand. Ikke anerkjenne funksjonen på 3700-3600 cm-1 som en gjenstand kan lure brukeren til å øke SF å redusere (SF = 1.24) eller null (SF = 1,51) denne spectral funksjonen på bekostning av oversubtracting de gjenværende spectral regionene, inkludert organisk absorbances på 1800-1200 cm-1. Ekstra gjenstander fra Foraskning inneholder en funksjon på 2300 cm-1 (pil). DRIFT spectra ble samlet på jordprøver uten KBr fortynning. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5. Eksempler på ideell og ikke-ideelle subtraksjon spectra bruker en mineral referanse oppnås ved NaOCl oksidasjon. Utilstrekkelig subtraksjon (lav SF = 0,32) betyr at fremtredende mineral absorbances (grå bokser) er fortsatt til stede. Økende SF å null ut kvarts-lignende SiO på 2.100-1,780 cm-1 (SF = 0,81) slår en balanse mellom kriteriene for å fjerne dette mineralet absorbansen som en proxy for mineral overlapp i 1800-1000 cm-1, minimere inversjon av Si-O < 1100 cm -1, og opprettholde en lineær plan. I et forsøk på å forbedre alifatisk C-H-strekningen på 3000-2800 cm-1, SF kan økes (til 1.35 eller 1.72), men resultatet oversubtraction av varierende. Spectra ble samlet på pen (ingen KBr fortynning) prøver av DRIFT spektroskopi. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6. Sammenkoblet sammenligning av DRIFT spektra av høy (øverst) og lav (nederst) organisk materiale jord utstillingsvindu potensialet i spektral subtractions å forbedre tolkning av organisk absorbances sammenlignet med de opprinnelige jord spectra. Forskjeller i absorbances tilsvarer mineral (grå boks) og organiske (stiplet linje) absorbansen band er tydelig mellom høye og lave SOM jord og/eller de tre sett av spectra: spektra av den opprinnelige (ubehandlede) jord og spectra ved trekke en mineral referanse fra ubehandlet jord spekteret, bruker en mineral-beriket jord for mineral referanse spekteret innhentet av termisk forbrenning ("Foraskning") eller kjemisk oksidering. Organisk absorbances som varierer mellom høyt og lavt smakebiter kan tilskrives alifatisk C-H (2,916 cm-1), keton og/eller amid C = O med mulige bidrag konjugert C = C (1,647 cm-1), amid C-N og N-H og/eller mulig aromatiske C = C ( 1,568 cm-1), alifatisk C-H (1,427 cm-1), og carboxyl og/eller fenol C-O (1,275 cm-1). Jordsmonnet er fra enp horisont av Entisols dannet fra blandet alluvium i Sacramento Valley (California, USA). Spectra ble samlet på pen (ingen KBr fortynning) prøver. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Jord SOM
innhold		 SOC
(mg g-1)		 C:N pH
(1:2, vann)		 leire
(mg g-1)		 sand
(mg g-1)
A Høy 22 9.4 6.5 166 133
B Lav 7 9.3 6.7 126 451
SOC, jord organisk karbon; C:N, karbon til nitrogen forhold

Tabell 1. Egenskaper for jord brukes til å vise metoder for spectral subtraksjon å forbedre karakteristikk av SOM bruker DRIFT spektroskopi. Jordsmonnet er av lignende mineralogi men viser forskjeller i organisk materiale konsentrasjon. Jordsmonn ble valgt fra enp horisont av Entisols dannet på blandet alluvium i Sacramento Valley i California, USA.

Jord OM
innhold		 SOC
(mg g-1)		 SOC tap (%)
NaOCl-ox Ashed
(500 ° C)
A Høy 22 -89.1 -96.5
B Lav 7 -82.5 -97.2
SOC, jord organisk karbon; NaOCl-okse natriumhypokloritt oksidert

Tabell 2. Eksempel på varierende fjerning priser SOM ved forbrenning mot kjemiske oksidasjon. Jordprøver behandlet for å fjerne organisk materiale brukes til å kjøpe et mineral-beriket referanse spektrum for å utføre spectral subtractions for å forbedre karakteristikk av SOM funksjonsgruppe komposisjonen ved hjelp av DRIFT spektroskopi.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Metoden å fjerne SOM bærer to hensyn: 1) mengden SOM fjernet, og 2) absorbansen gjenstander i resulterende mineralet referanse spektrum. Det er heldigvis mulig – og kanskje nødvendig-å identifisere og antall disse spørsmålene for å unngå partisk tolkninger av SOM komposisjon fra resulterende subtraksjon spekteret. Ideelt sett ville spectral subtractions ansette en mineral-bare referanse spektrum til et spekter av 'rent' SOM. I virkeligheten viser resulterende subtraksjon spekteret absorbances tilsvarer SOM som er forbedret i forhold til opprinnelige (ubehandlet) jord spekteret. Dette er fordi ikke-lineære absorbansen mineral komponenter i jordprøver hindrer fullstendig subtraksjon av alle mineral absorbances. Artifactual mineral absorbances og/eller ufullstendige fjerning av SOM begrenser tolkning av bestemte absorbansen funksjoner eller tolkning av totalt SOM bassenget, henholdsvis.

Som dokumentert av på eksemplene som vises her, de to vanlige metodene for å fjerne SOM å få mineral referanse spectra (termisk forbrenning eller Foraskning og kjemiske oksidasjon) tendens til å skape en avveining mellom graden av SOM fjerning og spectral gjenstander. Disse har forskjellige konsekvenser for tolkningen av subtraksjon spectra. Av samme grunn at det brukes i tap på tenningen (LOI) metoden for å anslå SOM innhold, høy temperatur Foraskning (≥ 350 ° C) fjerner nesten alle SOM men trolig endre krystallinsk mineral strukturer og dermed produsere endringer i mineral absorbansen band. Som illustrert her, vil dette manifestere som artefakter i subtraksjon spektrum hvis spectral bidrag fra mineraler før og etter Foraskning forskjellige. Termisk følsomheten av mineraler, som kan være mineral-spesifikke, tvinger et kompromiss på nytten av spectral subtractions beregnet med referanse spectra ved Foraskning, spesielt ved høye temperaturer (f.eks, 550 ° C). Mineral endringer gjelder for mineral type og Foraskning temperatur inkluderer dehydroxylation, interlayer kollaps og dehydrering41,42,43, og har vært dokumentert i spektra av jord av ulike mineralogi 10 , 28 , 44 , 45.

Informasjon om mineraler i en jordprøve kan brukes på forhånd å fastslå en Foraskning temperatur som unngår eller minimerer mineral endring (f.eks, interlayer sammenbruddet av kaolinite på eller over 350 ° C). Mineral gjenstander kan identifiseres og forventet ved å utsette en jordprøve til Foraskning ved forskjellige temperaturer og sammenlikne de resulterende spectra med spektra av ubehandlet jord og ren mineral standarder10,46. En kan også begrense utvalget angi mineralogi for å opprettholde subtraksjon gjenstander som følge av Foraskning konstant over jordprøver. Til slutt, lavere Foraskning temperaturer (f.eks, 350 ° C) kan brukes til å forbedre noen organiske band10,47. I likhet med kjemiske oxidations, bruk av lavere temperaturer vanligvis kommer til en kostnad av lavere28 (tabell 2) og potensielt selektiv10 SOM fjerning.

Kjemiske oxidations er generelt mindre sannsynlighet for å forårsake mineral endring, spesielt for phyllosilicates, men kan påvirke andre mineral brøker som jernoksid (hydr). Hvis kjent, bør mineraler på jordprøver vurderes når du velger en oksiderende. For eksempel kan natriumhypokloritt fjerne relativt store mengder SOM med minimal eller ingen oppløsning av mineral karbonoksider, i motsetning til andre oksiderende midler (f.eks, hydrogenperoksid)48,49,50 , 51. disse effektene er forventet å stole på mineralogi og/eller SOM (f.eksen høy andel av mineral-bundet organisk materiale kan være mer motstandsdyktig mot noen, men ikke andre oxidations).

Derfor null-ing ut målet mineral band er en bedre strategi enn stole på programvare beregnet eller en priori . SFs er at dette kanskje må justeres hvis målet mineral band ikke er fullstendig fjernet. Dette er vanlig for mineral band høy phyllosilicate konsentrasjoner i jordprøver og dermed ikke-lineære absorbansen i spectra (f.eks, Si-O strekning på 1100-950 cm-1)22, spesielt for utbredt praksis å analysere pen prøver (ingen metallhalid salt fortynning), justering av SF bør utforskes for å minimere mineral band som eksperimentelle mål.

Spectral subtractions tilbyr en markert forbedring på evnen til jord spectra å tolke organisk funksjonelle grupper som danner SOM ved å forbedre interpretability av organisk absorbances i områder med overlappende mineral absorbances. Selv organisk band nytte selv om å være relativt mineral-fri av spectral subtractions. For eksempel alifatisk C-H strekningen på 3000-2800 cm-1 anses å være det minste mineral-forvirret organisk bandet i jord spectra22, men oppløsningen kan fremdeles være markert forbedret med spektral subtractions52. Utfordringer til tolkning av FTIR spektra av en kjemisk komplekse prøve slik SOM ikke bør være smeltet sammen med begrensning av metoden eller modifikasjoner (f.eks, subtractions) fordi slik kompleksitet er en iboende egenskap av SOM, som også utfordringer andre spektroskopiske tilnærminger (f.eks, kjernefysiske magnetisk resonans spektroskopi)1,5.

Spectral subtractions tilbyr en unik strategi for å adresse begrensninger iboende å spectroscopic analyse av SOM fremkommer fra mineral dominans av jord prøvene, og med sterk komplementaritet til andre metoder med sin egen distinkte begrensninger5, 14. For eksempel er en egen tilnærming for å forbedre FTIR spektroskopi analyse av SOM pre-behandling av jord flussyre (HF) for å fjerne et flertall av komponenten mineral. Siden demineralisering av jordprøver er rutine for NMR spectroscopic analyse, analyseres også den samme HF-behandlet jord av FTIR spektroskopi. Imidlertid kan demineralisering med HF skape betydelige tap av noen som kompromiss sin nytteverdi som en frittstående tilnærming53,54. For eksempel ble nesten en tredjedel av SOM jord A (tabell 1 og 2) fjernet under HF behandling5.

Det er viktig å merke seg at nytten av subtractions for analyse av jord er å øke potensielle organisk band rundt på en bestemt wavenumber(s) i stedet for å gir en komplett subtraksjon av alle konflikt mineraler absorbances55, 56,57,58. Derfor kan subtractions være mer eller mindre egnet for bestemte spectral regioner. Nguyen et al. 4 anerkjent at subtractions var trolig være mest nyttig å forbedre organisk band på 1800-1600 cm-1, som Reeves III22 diagnostisert som en spektral region som nøyaktig subtractions var mulig selv med gjenstander fra Referanse spectra ved høy temperatur Foraskning. Mineral Si-O absorbances i denne regionen trekke nøyaktig, i motsetning til andre regioner (f.eks, 1000-400 cm-1) ikke-lineære absorbansen og inversjon av mineral band som Si-O på 1050-980 cm-1 37 ,59.

Et potensielt fruktbart område av fremtidige arbeid er å systematisk adresse jordegenskaper forventet å medføre sample-spesifikke gjenstander introdusert av metoden SOM fjerning. Den største utfordringen til spectral subtractions er vanskeligheten med å få et mineral referanse spekter som har nær eller full SOM fjerning ennå minimal eller ingen gjenstander fra SOM fjerning. Aktuelle metoder for høy temperatur Foraskning og kjemiske oksidasjon skape en avveining mellom disse to målene. Identifisere mineralogi-spesifikke gjenstander i FTIR spectra over et utvalg av SOM ville fjerning forhold og jordsmonn, samt rene mineralske standarder, være et første skritt mot etablering jord-spesifikke anbefalinger22. Alternativ SOM fjerning metoder har ennå undersøkes systematisk. Lovende fjerning metoder inkluderer lav temperatur Foraskning (ofte utføres under lavt trykk) og kjemiske oxidations, hydrogen peroxide og natrium peroxodisulphate14.

Spektra av jord fullt demineralisert bruker HF kan brukes til å sammenligne subtraksjon spectra innhentet av ulike metoder. HF kan brukes å oppløse og fjerne et flertall av mineral komponenten av jordprøver, gir en SOM-beriket prøve. Siden spekteret av en HF-behandlet jordprøve skal i teorien være likt et subtraksjon spekter av samme jord med et mineral referanse spekter ved fullstendig fjerning av SOM, sammenligne spektra av SOM ved HF demineralisering versus subtraksjon kan brukes til å kryssvalidere absorbans band, identifisere gjenstander og øke tilliten spectral tildelinger5, særlig i regioner som er utsatt for subtraksjon gjenstander via inversjon (< 1200 cm-1). Men betyr ufullstendig og/eller Selektiv fjerning av mineraler og organiske komponenter under HF behandling spektra av HF-behandlet jord kan tilbyr en "målet" spekter av SOM, bare en operativ sammenligning som ikke ulikt spectral subtractions, må nøye vurderes i lys av potensielle gjenstander.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Vi takker veiledning fra Dr. Randy Southard NaOCl oksidering og ulike diskusjoner om spectral subtractions med Dr. Fungai F.N.D. Mukome.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Schmidt, M. W. I., et al. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property. Nature. 478 (7367), 49-56 (2011).
  2. Masoom, H., et al. Soil Organic Matter in Its Native State: Unravelling the Most Complex Biomaterial on Earth. Environmental Science & Technology. 50 (4), 1670-1680 (2016).
  3. Kallenbach, C. M., Frey, S. D., Grandy, A. S. Direct evidence for microbial-derived soil organic matter formation and its ecophysiological controls. Nature Communications. 7, 13630 (2016).
  4. Parikh, S. J., Goyne, K. W., Margenot, A. J., Mukome, F. N. D., Calderón, F. J. Advances in Agronomy. 126, Academic Press. 1-148 (2014).
  5. Margenot, A. J., Calderón, F. J., Magrini, K. A., Evans, R. J. Application of DRIFTS, 13C NMR, and py-MBMS to Characterize the Effects of Soil Science Oxidation Assays on Soil Organic Matter Composition in a Mollic Xerofluvent. Applied Spectroscopy. 71 (7), 1506-1518 (2017).
  6. Calderón, F. J., Benjamin, J., Vigil, M. F. A Comparison of Corn (Zea mays L.) Residue and Its Biochar on Soil C and Plant Growth. PLoS ONE. 10 (4), e0121006 (2015).
  7. Veum, K., Goyne, K., Kremer, R., Miles, R., Sudduth, K. Biological indicators of soil quality and soil organic matter characteristics in an agricultural management continuum. Biogeochemistry. 117 (1), 81-99 (2014).
  8. Cheshire, M. V., Dumat, C., Fraser, A. R., Hillier, S., Staunton, S. The interaction between soil organic matter and soil clay minerals by selective removal and controlled addition of organic matter. European Journal of Soil Science. 51 (3), 497-509 (2000).
  9. Cox, R., Peterson, H., Young, J., Cusik, C., Espinoza, E. The forensic analysis of soil organic by FTIR. Forensic science international. 108 (2), 107-116 (2000).
  10. Padilla, J. E., et al. Diffuse-reflectance mid-infrared spectroscopy reveals chemical differences in soil organic matter carried in different size wind eroded sediments. Aeolian Research. 15 (0), 193-201 (2014).
  11. Artz, R. R. E., et al. FTIR spectroscopy can be used as a screening tool for organic matter quality in regenerating cutover peatlands. Soil Biology and Biochemistry. 40 (2), 515-527 (2008).
  12. Painter, P. C., Coleman, M. M., Jenkins, R. G., Walker, P. L. Jr Fourier transform infrared study of acid-demineralized coal. Fuel. 57 (2), 125-126 (1978).
  13. Painter, P. C., Snyder, R. W., Pearson, D. E., Kwong, J. Fourier transform infrared study of the variation in the oxidation of a coking coal. Fuel. 59 (5), 282-286 (1980).
  14. Margenot, A. J., Calderón, F. J., Parikh, S. J. Limitations and Potential of Spectral Subtractions in Fourier-Transform Infrared Spectroscopy of Soil Samples. Soil Science Society of America Journal. 80 (1), 10-26 (2015).
  15. Chefetz, B., Hader, Y., Chen, Y. Dissolved Organic Carbon Fractions Formed during Composting of Municipal Solid Waste: Properties and Significance. Acta hydrochimica et hydrobiologica. 26 (3), 172-179 (1998).
  16. Haberhauer, G., Rafferty, B., Strebl, F., Gerzabek, M. H. Comparison of the composition of forest soil litter derived from three different sites at various decompositional stages using FTIR spectroscopy. Geoderma. 83 (3), 331-342 (1998).
  17. Sarkhot, D. V., Comerford, N. B., Jokela, E. J., Reeves, J. B., Harris, W. G. Aggregation and Aggregate Carbon in a Forested Southeastern Coastal Plain Spodosol. Soil Sci. Soc. Am. J. 71 (6), 1779-1787 (2007).
  18. Calderón, F. J., Reeves, J. B., Collins, H. P., Paul, E. A. Chemical Differences in Soil Organic Matter Fractions Determined by Diffuse-Reflectance Mid-Infrared Spectroscopy. Soil Sci Soc. Am. J. 75 (2), 568-579 (2011).
  19. Anderson, J. U. An improved pretreatment for mineralogical analysis of samples containing organic matter. Clays and Clay Minerals. 10 (3), 380-388 (1963).
  20. Zimmermann, M., Leifeld, J., Abiven, S., Schmidt, M. W. I., Fuhrer, J. Sodium hypochlorite separates an older soil organic matter fraction than acid hydrolysis. Geoderma. 139 (1-2), 171-179 (2007).
  21. Aoyama, M. DRIFT spectroscopy combined with sodium hypochlorite oxidation reveals different organic matter characteristics in density-size fractions of organically managed soils. Canadian Journal of Soil Science. , 1-11 (2016).
  22. Reeves, J. B. III Mid-infrared spectral interpretation of soils: Is it practical or accurate? Geoderma. 189 (0), 508-513 (2012).
  23. Cavallaro, N., McBride, M. B. Effect of selective dissolution on charge and surface properties of an acid soil clay. Clays clay miner. 32, 283-290 (1984).
  24. Yeomans, J. C., Bremner, J. M. Carbon and nitrogen analysis of soils by automated combustion techniques. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 22 (9-10), 843-850 (1991).
  25. Harris, D., Horwáth, W. R., van Kessel, C. Acid fumigation of soils to remove carbonates prior to total organic carbon or CARBON-13 isotopic analysis. Soil Science Society of America Journal. 65 (6), 1853-1856 (2001).
  26. Wang, X., Wang, J., Zhang, J. Comparisons of Three Methods for Organic and Inorganic Carbon in Calcareous Soils of Northwestern China. PLOS ONE. 7 (8), e44334 (2012).
  27. Kamau-Rewe, M., et al. Generic Prediction of Soil Organic Carbon in Alfisols Using Diffuse Reflectance Fourier-Transform Mid-Infrared Spectroscopy. Soil Sci. Soc. Am. J. 75 (6), 2358-2360 (2011).
  28. Margenot, A. J., Calderón, F. J., Bowles, T. M., Parikh, S. J., Jackson, L. E. Soil Organic Matter Functional Group Composition in Relation to Organic Carbon, Nitrogen, and Phosphorus Fractions in Organically Managed Tomato Fields. Soil Science Society of America Journal. 79, 772-782 (2015).
  29. Yeasmin, S., Singh, B., Johnston, C. T., Sparks, D. L. Evaluation of pre-treatment procedures for improved interpretation of mid infrared spectra of soil organic matter. Geoderma. 304 (Supplement C), 83-92 (2017).
  30. Yeasmin, S., Singh, B., Johnston, C. T., Sparks, D. L. Organic carbon characteristics in density fractions of soils with contrasting mineralogies. Geochimica et Cosmochimica Acta. 218 (Supplement C), 215-236 (2017).
  31. Farmer, V. C. Effects of grinding during the preparation of alkali-halide disks on the infra-red spectra of hydroxylic compounds. Spectrochimica Acta. 8 (6), 374-389 (1957).
  32. Reeves, J. B. III, Smith, D. B. The potential of mid- and near-infrared diffuse reflectance spectroscopy for determining major- and trace-element concentrations in soils from a geochemical survey of North America. Appl Geochem. 24 (8), 1472-1481 (2009).
  33. Guillou, F. L., et al. How does grinding affect the mid-infrared spectra of soil and their multivariate calibrations to texture and organic carbon? Soil Research. 53 (8), 913-921 (2015).
  34. Stumpe, B., Weihermüller, L., Marschner, B. Sample preparation and selection for qualitative and quantitative analyses of soil organic carbon with mid-infrared reflectance spectroscopy. European Journal of Soil Science. 62 (6), 849-862 (2011).
  35. Barthès, B. G., Brunet, D., Ferrer, H., Chotte, J. -L., Feller, C. Determination of Total Carbon and Nitrogen Content in a Range of Tropical Soils Using near Infrared Spectroscopy: Influence of Replication and Sample Grinding and Drying. J Near Infrared Spectrosc. 14 (5), 341-348 (2006).
  36. Nduwamungu, C., Ziadi, N., Tremblay, G. F., Parent, L. -É Near-Infrared Reflectance Spectroscopy Prediction of Soil Properties: Effects of Sample Cups and Preparation. Soil Science Society of America Journal. 73 (6), 1896-1903 (2009).
  37. Nguyen, T., Janik, L. J., Raupach, M. Diffuse reflectance infrared Fourier transform (DRIFT) spectroscopy in soil studies. Soil Research. 29 (1), 49-67 (1991).
  38. Essington, M. E. Soil and Water Chemistry: An Integrative Approach. , Taylor & Francis. (2004).
  39. Reeves, J. B., Francis, B. A., Hamilton, S. K. Specular Reflection and Diffuse Reflectance Spectroscopy of Soils. Applied Spectroscopy. 59 (1), 39-46 (2005).
  40. Thermo Scientific. OMNIC User's Guide. , Thermo Fischer Scientific Inc. Madison, WI. (2006).
  41. Frost, R. L., Vassallo, A. M. The dehydroxylation of the kaolinite clay minerals using infrared emission spectroscopy. Clays and Clay Minerals. 44 (5), 635-651 (1996).
  42. Prasad, P. S. R., et al. In situ FTIR study on the dehydration of natural goethite. Journal of Asian Earth Sciences. 27 (4), 503-511 (2006).
  43. Suitch, P. R. Mechanism for the Dehydroxylation of Kaolinite, Dickite, and Nacrite from Room Temperature to 455°C. Journal of the American Ceramic Society. 69 (1), 61-65 (1986).
  44. Ernakovich, J. G., Wallenstein, M. D., Calderón, F. J. Chemical Indicators of Cryoturbation and Microbial Processing throughout an Alaskan Permafrost Soil Depth Profile. Soil Sci. Soc. Am. J. 0 (0), (2015).
  45. Suarez, M. D., Southard, R. J., Parikh, S. J. Understanding Variations of Soil Mapping Units and Associated Data for Forensic Science. Journal of Forensic Sciences. , (2015).
  46. Kaiser, M., Ellerbrock, R. H., Gerke, H. H. Long-term effects of crop rotation and fertilization on soil organic matter composition. European Journal of Soil Science. 58 (6), 1460-1470 (2007).
  47. Janik, L. J., Merry, R. H., Skjemstad, J. O. Can mid infrared diffuse reflectance analysis replace soil extractions? Australian Journal of Experimental Agriculture. 38 (7), 681-696 (1998).
  48. Adegoroye, A., Uhlik, P., Omotoso, O., Xu, Z., Masliyah, J. A comprehensive analysis of organic matter removal from clay-sized minerals extracted from oil sands using low temperature ashing and hydrogen peroxide. Energy & Fuels. 23 (7), 3716-3720 (2009).
  49. Mikutta, R., Kleber, M., Jahn, R. Poorly crystalline minerals protect organic carbon in clay subfractions from acid subsoil horizons. Geoderma. 128 (1-2), 106-115 (2005).
  50. Siregar, A., Kleber, M., Mikutta, R., Jahn, R. Sodium hypochlorite oxidation reduces soil organic matter concentrations without affecting inorganic soil constituents. European Journal of Soil Science. 56 (4), 481-490 (2005).
  51. von Lützow, M., et al. SOM fractionation methods: Relevance to functional pools and to stabilization mechanisms. Soil Biology and Biochemistry. 39 (9), 2183-2207 (2007).
  52. Margenot, A. J., Calderón, F. J., Magrini, K. A., Evans, R. J. Application of DRIFTS, 13C NMR, and py-MBMS to Characterize the Effects of Soil Science Oxidation Assays on Soil Organic Matter Composition in a Mollic Xerofluvent. Applied Spectroscopy. 0 (0), 0003702817691776 (2017).
  53. Rumpel, C., et al. Alteration of soil organic matter following treatment with hydrofluoric acid (HF). Organic Geochemistry. 37 (11), 1437-1451 (2006).
  54. Sanderman, J., et al. Is demineralization with dilute hydrofluoric acid a viable method for isolating mineral stabilized soil organic matter? Geoderma. 304 (Supplement C), 4-11 (2017).
  55. McClure, G. L. Computerized Quantitative Infrared Analysis. , American Society for Testing and Materials. 169-179 (1987).
  56. Joussein, E., et al. Halloysite clay minerals - a review. Clay Minerals. 40 (4), 383-426 (2005).
  57. Smith, B. C. Fundamentals of Fourier Transform Infrared Spectroscopy, Second Edition. , Taylor & Francis. (2011).
  58. Weis, D. D., Ewing, G. E. Absorption Anomalies in Ratio and Subtraction FT-IR Spectroscopy. Anal. Chem. 70, 3175 (1998).
  59. Reeves, J. B. III, McCarty, G. W., Calderon, F., Hively, W. D. Managing Agricultural Greenhouse Gases. Franzluebbers, A. J., Follett, R. F. , Academic Press. 345-366 (2012).

Tags

Miljømessige Sciences problemet 143 jord jord organisk materiale (SOM) Fourier transformere infrarød (FTIR) spektroskopi diffus refleksjon infrarød Fourier transform (DRIFT) oksidasjon natriumhypokloritt (NaOCl) spectral subtraksjon funksjonsgruppe
Forbedre infrarødspektroskopi karakteristikk av jord organisk materiale med spektral Subtractions
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Margenot, A. J., Parikh, S. J.,… More

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

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

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

Waiting X
Simple Hit Counter