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Melhorando a espectroscopia de infravermelho de caracterização da matéria orgânica do solo com subtrações espectrais

Published: January 10, 2019
doi:
10.3791/57464
, ,
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 está subjacente a muitos processos e funções do solo, mas sua caracterização por espectroscopia FTIR é frequentemente desafiada por interferências de minerais. O método descrito pode aumentar a utilidade da análise SOM por espectroscopia FTIR subtraindo mineral interferências nos espectros de solo utilizando empiricamente obtidos espectros de referência mineral.

Abstract

Matéria orgânica do solo (SOM) subjacente a várias funções e processos do solo. Espectroscopia de infravermelho (FTIR) Fourier transform detecta infravermelhos ativos laços orgânicos que constituem o componente orgânico dos solos. No entanto, o teor de matéria orgânica relativamente baixa dos solos (comumente < 5% em massa) e sobreposição de absorvância dos minerais e orgânicos de grupos funcionais na região infravermelho médio (MIR) (4.000-400 cm-1) engendra substancial interferência de dominantes absorvências minerais, desafiando ou mesmo impedindo a interpretação de espectros para caracterização de SOM. Subtrações espectrais, um post-hoc de tratamento matemático dos espectros, podem reduzir a interferência de minerais e melhorar resolução de regiões espectrais correspondentes a grupos funcionais orgânicos removendo matematicamente absorvâncias minerais. Isso requer um espectro de referência rica em minerais, que pode ser empiricamente obtido para uma amostra de solo determinado removendo SOM. O espectro de referência mineral enriquecido é subtraído do espectro (não tratado) original da amostra do solo para produzir um espectro representando absorvâncias de SOM. Métodos de remoção de SOM comuns incluem oxidação química e combustão de alta temperatura (‘intermitente’). Seleção do método de remoção de SOM carrega duas considerações: (1) a quantidade de SOM removido e artefatos (2) absorvância no mineral referenciam espectro e, portanto, o espectro resultante de subtração. Estas questões potenciais podem e deve, ser identificados e quantificados a fim de evitar interpretações tendenciosas ou falaciosas dos espectros para composição do grupo funcional orgânico de SOM. Após a remoção do SOM, a amostra enriquecida com mineral resultante é usada para coletar um espectro de referência mineral. Várias estratégias existem para realizar subtrações dependendo dos objetivos experimentais e as características da amostra, mais notavelmente a determinação do factor de subtração. O espectro resultante de subtração requer cuidadosa interpretação com base na metodologia acima mencionada. Para muitos solos e outras amostras ambientais contendo componentes minerais substanciais, subtrações têm forte potencial para melhorar a caracterização espectroscópica de FTIR da composição da matéria orgânica.

Introduction

Matéria orgânica do solo (SOM) é um constituinte menor em massa na maioria das amostras de solo, mas está implicada em várias propriedades e processos subjacentes funções do solo, tais como nutrientes sequestro ciclismo e carbono1. Caracterizando a composição do SOM é uma das várias abordagens para vincular a formação do SOM e volume de negócios com suas funções no solo funções2,3. Um método de caracterizar a composição do SOM é Fourier transform (FTIR) espectroscopia de infravermelho, que oferece a deteção de grupos funcionais que constituem a matéria orgânica no solo e outras amostras ambientais (por exemplo, carboxila C-O, alifático C-H) 4. no entanto, a utilidade da espectroscopia FTIR para revelar a composição do grupo funcional SOM é desafiada pelo componente mineral dominante para a maioria dos solos (normalmente > 95% em massa) devido à fortes absorvâncias inorgânicas que desafiam ou limite severamente a deteção e a interpretação das absorvâncias orgânicas.

Subtrações espectrais oferecem uma maneira de melhorar a caracterização espectroscópica de FTIR da matéria orgânica nas amostras de solo. Subtrair o minerais absorvâncias de espectro do solo pode ser usado para realçar as absorvâncias dos grupos funcionais orgânicos de interesse na análise da composição de SOM

(Figura 1).

Vantagens de subtrações espectrais sobre a espectroscopia FTIR padrão (ou seja, espectros de solo) incluem:

(i) melhorar a resolução e interpretação das bandas de absorção orgânica em comparação com espectros de solo normal. Embora interpretação das bandas orgânicas em espectros de solo pode ser realizada por supor que as diferenças relativas em absorvância são devido a diferenças nos grupos funcionais orgânicos, isso limita as comparações de amostras com a mesma mineralogia e SOM relativamente alto de conteúdo e podem ser menos sensíveis a mudanças nas bandas orgânicas, mesmo aqueles considerados ser relativamente livre de mineral (por exemplo, estiramento de C-H alifático)5

(ii) análise dos solos, além de amostras SOM altas ou extratos enriquecidos com matéria orgânicos ou fracções

(iii) realce de alterações induzidas por tratamentos experimentais do mesocosmo para campo escalas6

Aplicações adicionais de subtrações espectrais em análise FTIR de SOM incluem complementando caracterizações estruturais e moleculares (por exemplo, espectroscopia RMN, espectrometria de massa)5,7, identificando o composição de SOM removido por uma extração ou fracionamento destrutivo8e composição de SOM impressões digitais para fins forenses9. Este método é aplicável a uma grande variedade de misturas minerais orgânicos além de solos, incluindo sedimentos10, turfa11e carvão12,13.

O potencial de subtrações espectrais para melhorar a caracterização espectroscópica de FTIR de SOM é demonstrado usando exemplos de remoção de matéria orgânica para obter espectros de referência mineral, e em seguida, usando estes minerais referência espectros, realizando e avaliando subtrações espectrais ideais e não ideal. Esta demonstração centra-se na transformação de Fourier infravermelho espectros (DRIFT) coletados na região do infravermelha médio (MIR, 4.000-400 cm-1), como se trata de uma abordagem generalizada para a análise de amostras de solo4de reflectância difusa.

Os métodos de dois exemplo de remoção de SOM para a obtenção de um espectro de referência mineral enriquecido são (i) alta temperatura combustão (‘intermitente’) e (ii) química oxidação, usando diluída de hipoclorito de sódio (NaOCl). Deve notar-se que estes são exemplos de métodos de remoção de SOM comumente empregados, ao invés de recomendações prescritivas. Outros métodos de remoção de SOM podem oferecer redução de artefatos minerais e/ou reforçada remoção taxas (por exemplo, baixa temperatura incineração)14. Incineração de alta temperatura foi um dos primeiros métodos usados para obter espectros de referência mineral enriquecido por realizar subtrações, inicialmente para amostras enriquecido OM derivado de solos (por exemplo, matéria orgânica dissolvida, maca)15, 16 , seguido de sua aplicação em massa solo amostras17,18. A oxidação química de exemplo usada para remover o SOM é baseada no método de oxidação de NaOCl, descrita por Anderson19. Isto foi originalmente desenvolvido como um pré-tratamento para a remoção de matéria orgânica nas amostras de solo antes da análise de difração de raios x (XRD) e foi investigado como um potencial fracionamento químico sensível ao SOM de estabilização20, 21. tanto a remoção de alta temperatura e de oxidação química, usando hipoclorito podem implicar artefatos específicos do solo e têm limitações na interpretação espectral que deve ser considerada ao selecionar um método de remoção de SOM14, 22.

Protocol

1. preparar a terra para espectroscopia DRIFT não tratados e remoção de SOM Peneire o solo para < 2 mm usando uma malha de aço inoxidável (a fração fina-terra).Nota: Esta demonstração emprega dois solos de textura semelhante, mas uma diferença de quase 3 vezes no teor SOM total (tabela 1). 2. SOM remoção por oxidação química: exemplo de NaOCl Ajuste o pH de 6% w/v NaOCl a pH 9,5 adicionando 1 M de HCl gota a gota à solução durant…

Representative Results

O método de remoção de SOM tem implicações práticas, bem como teóricas para a interpretação de espectros de subtração. Por exemplo, minerais, alterações da incineração de alta temperatura podem se manifestar como perdas ou aparições de picos e/ou como deslocou ou ampliaram a picos no espectro de referência mineral. Esses artefatos espectrais são propensos a ocorrer em regiões de sobreposição com bandas orgânicas em 1.600-900 cm-1,22</sup…

Discussion

O método de remoção de SOM carrega duas considerações: 1) a quantidade de SOM removido e artefatos 2) absorvância no mineral resultante de espectro de referência. É possível que felizmente — e indiscutivelmente necessário — para identificar e quantidade estas questões a fim de evitar interpretações tendenciosas de composição do SOM do espectro resultante da subtração. Idealmente, subtrações espectrais empregaria um espectro de referência somente mineral para produzir um espectro de SOM. ‘pura’ Na …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Agradecemos a orientação do Dr. Randy Southard na oxidação de NaOCl e várias discussões de subtrações espectrais com Dr. Fungai F.N.D. Mukome.

Materials

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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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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