Waiting
Login processing...

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

Environment

Улучшение инфракрасной спектроскопии характеристика органического вещества почвы с спектральных вычеты

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 лежит в основе многих почвенных функций и процессов, но его характеристика методом ФУРЬЕ-спектроскопии часто оспаривается минеральных взаимодействиями. Описан метод может увеличить полезность сом анализа методом ФУРЬЕ-спектроскопии путем вычитания минеральных вмешательств в почве спектры с использованием эмпирически полученных спектров полезных ссылок.

Abstract

Органического вещества почвы (SOM) лежит в основе многочисленных почвенных процессов и функций. Фурье преобразование инфракрасной спектроскопии (FTIR) обнаруживает ИК активные органические облигации, которые представляют компонент органических почв. Однако относительно низким содержанием органических веществ почв (обычно < 5% по массе) и параллелизма поглощение минеральных и органических функциональных групп в регионе (MIR) средней инфракрасной (4000-400 см-1) порождает существенные помехи, доминантная(ый) Минеральные absorbances, сложной или даже предотвращения интерпретации спектров для характеризации сом. Спектральные вычеты, пост специальной математической обработки спектров, можно снизить минеральные вмешательства и повысить разрешение спектральных регионов, соответствующих органических функциональных групп, математически удалив минеральных absorbances. Это требует обогащенные минеральными ссылка спектра, который можно эмпирически получить образец данного почвы путем удаления сом. Минерал обогащенный ссылка спектра вычитается из оригинального (необработанных) спектр пробы почвы для получения спектра представляющих сом absorbances. Общие методы удаления сом включают высокой температуры горения («озоления») и химическое окисление. Выбор метода удаления сом носит два соображения: (1 количество сом удалены, и (2) поглощения артефакты в минерале ссылаться спектра и, таким образом, результирующая вычитания спектра. Эти потенциальные проблемы можно и следует выявлять и количественно во избежание ошибочных или предвзятой интерпретации спектров органических функциональной группы состав сом. После удаления сом полученный обогащенные минеральными образец используется для сбора спектр полезных ссылок. Существуют несколько стратегии для выполнения вычеты в зависимости от экспериментальных целей и образец характеристики, прежде всего определение коэффициента вычитания. Результате вычитания спектра требует тщательного толкования на основе вышеупомянутой методологии. Для многих почвы и других экологических проб, содержащих значительные минеральные компоненты вычеты имеют сильный потенциал для улучшения FTIR спектральные характеристики состава органического вещества.

Introduction

Органического вещества почвы (SOM) является небольшие составляющей по массе в большинстве проб почвы, но причастны несколько свойств и процессов основной почвы функций, таких как питательных Велоспорт и углерода секвестрации1. Характеризуя состав СОМ является одним из нескольких подходов к ссылке формирования сом и оборот с его роли в почвенных функций2,3. Один из методов характеризации состав сом — Фурье преобразование инфракрасный (FTIR) спектроскопия, который предлагает обнаружение функциональных групп, которые составляют органического вещества в почвах и другие экологические пробы (например, карбоксильных C-O, алифатических C-H) 4. Однако, Утилита ФУРЬЕ спектроскопии для выявления сом функциональной группы состав оспаривается доминирующей минерального компонента для большинства почв (обычно > 95% массы) из-за сильных неорганических absorbances, которые ставят под угрозу или серьезно ограничивают обнаружения и интерпретации органических absorbances.

Спектральная вычеты предлагают способ улучшить FTIR спектральные характеристики органического вещества в пробах почвы. Вычитание минеральных absorbances от спектра почвы может использоваться для повышения absorbances органических функциональных групп интересов в анализе состава сом

(Рис. 1).

Преимущества спектральных вычеты над стандартным ФУРЬЕ спектроскопии (то есть, спектры почвы) включают в себя:

(i) улучшение резолюции и интерпретация полос поглощения органических, по сравнению с нормальной почвы спектров. Хотя интерпретация полос органических в спектрах почвы может осуществляться при условии, что относительные различия в оптической плотности, из-за различий в органических функциональных групп, это ограничивает сравнение образцы с же минералогии и относительно высокой сом содержание и могут быть менее чувствительны к изменениям в органических групп, даже те считались быть относительно свободной от минеральных (например алифатических стрейч C-H)5

(ii) анализ почв за высокие образцы сом или органические вещества обогащенный экстрактов или дроби

(iii) подсветка изменений, вызванных экспериментальное лечение от мезокосмах к полю весы6

Дополнительные применения спектрального вычеты в анализе ФУРЬЕ сом включают дополнение структурных и молекулярные характеристики (например, ЯМР спектрометрия, масс-спектрометрия)5,7, выявления состав сом, удалены путем извлечения или разрушительные фракционирование8и дактилоскопия состав СОМ для судебно-медицинских целей9. Этот метод применим к широкий спектр минеральных и органических смесей за пределами почвах, включая осадок10, торф11и угля12,13.

Потенциал спектральных вычеты для улучшения FTIR спектральные характеристики сом проявляется с использованием примеров удаления органических веществ для получения спектров полезных ссылок, а затем, используя эти минеральные ссылка спектры, выполнение и Оценка идеально и неидеальной спектральных вычеты. Эта демонстрация фокусируется на диффузного отражения инфракрасного Фурье спектры (дрейф), собранные в средней инфракрасной области (мир, 4000-400 см-1), как это широко подход для анализа проб почвы4.

Два примера методы удаления СОМ для получения спектра обогащенные минеральными ссылки являются (i) высокой температуры горения («озоления») и (ii) химическое окисление, использование разбавленных гипохлорита натрия (NaOCl). Следует отметить, что это примеры обычно занятых методы удаления сом, а не предписывающий характер рекомендаций. Другие методы удаления сом может предложить сокращение минеральных артефакты и/или Улучшено удаление ставок (например, низкой температуры озоления)14. Высокой температуры озоления был одним из первых методов, используемых для получения спектров обогащенные минеральными ссылку для выполнения вычеты, первоначально для образцов, ом обогащенный производного от почвы (например, растворенного органического вещества, помет)15, 16 следуют его применение для массового почвы образцы17,18. Химическое оксидирование примере используется для удаления сом основывается на методе окисления NaOCl, описываемого Андерсон19. Это был первоначально разработан как предварительной очистки для удаления органических веществ в пробах почвы до анализа дифракции рентгеновских лучей (XRD) и исследована как потенциальных химических фракционирования, чувствительных к СОМ стабилизации20, 21. как удаления высокой температуры и химического окисления с использованием NaOCl может повлечь за собой почвы специфических артефактов и имеют ограничения на спектральные толкование, которое следует учитывать при выборе метода сом удаления14, 22.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Подготовка почвы для спектроскопии ДРИФТ лечение и удаление сом

  1. Сито почву для < 2 мм с помощью сетки из нержавеющей стали («фракция штраф земля»).
    Примечание: Эта демонстрация работают два почвы аналогичные текстуру, но почти вывозимому разница в общее содержание сом (Таблица 1).

2. сом удаления путем химического окисления: пример NaOCl

  1. Отрегулируйте пэ-аш 6% w/v NaOCl до pH 9.5 путем добавления 1 M HCl каплям раствора во время смешивания и измерения с рН метр.
    Примечание: Большинство коммерческих отбеливатели (например, Clorox) подходят по качеству и концентрации (обычно 3-7% NaOCl v/v), но будет иметь рН > 12. Как NaOCl окисление органического вещества зависит от рН, и рН 9,5 рекомендуется для его использования с почвы образцы19,23, необходимо скорректировать рН большинство коммерчески доступных отбеливатели.
  2. Добавить 25 мл NaOCl (6% w/v, pH 9.5) 4 g почвы (просеивают, воздушная сушка) в 50-мл Конические трубки и микс от sonication (600 s, выходная частота 20 кГц, мощность 200 Вт).
  3. Инкубируйте смеси в ванну горячей водой (15 мин, 80 ° C), чтобы увеличить скорость окисления.
  4. Центрифуги для получения четких супернатант (например, 15 мин на 4000 × g грубее текстурированных почв; комнатной температуры). Вручную сцеживаться супернатант в контейнер для отходов.
    Примечание: Концентрация NaOCl в надосадке (консервативно, предполагая не окисления и таким образом не потребление NaOCl) является таким же, как коммерчески доступных отбеливатель для домашнего использования. Тонкой текстурированной почвы может потребовать дольше центрифугирования (например, до дополнительного 15-30 мин) со скоростью данного центрифуги (например, 4000 × г) для получения четких супернатант.
  5. Повторите шаги, 2.3 и 2.4 дважды для в общей сложности трех шагов окисления.
  6. После последнего шага окисления добавьте 20 мл деионизированная H2O (dH2O) почвы и смеси на 5 мин, с использованием горизонтальной шейкер (120 об/мин). Центрифуги для 15 мин на 4000 × g и комнатной температуре. Повторите для в общей сложности три лечения.
  7. С помощью шпателя и dH2O от шприц бутылки по мере необходимости, экстракт и промывают почвы гранулы из нижней части пластиковых пробирок в пластмассу весят лодке (или другой контейнер с большой площадью поверхности). Печь сухой (максимум 60 ° C, 48 ч) в состояние воздушно-сухой.
  8. После того, как образец грунта высушивается, количественно содержание общего органического углерода от сжигания газовой хроматографии с использованием анализатора C/N24. Вычислите сом удаления как разница в концентрации органического углерода до и после лечения окисления.
    Примечание: Из-за потери органического вещества и структуру почвы, почвы будет подвержен корки, в частности на почвах с низким содержанием песка. Это может быть необходимо применить нежное давление и/или ручная шлифовка повторно гомогенизировать коркой почвы. Почвы с неорганического углерода (то есть, карбонаты) требуются дополнительные шаги для количественной оценки органического углерода газов сгорания хроматография25,26.

3. сом удаления путем высокотемпературного сжигания

  1. Мера ~ 1-2 g почвы (просеивают, воздушная сушка) в фарфоровый тигель с помощью шпателя.
  2. Тепло на 550 ° C 3 h, с использованием муфельной печи.
    Примечание: Это пример метод удаления сом с помощью сжигания при сравнительно высокой температуре. Обратитесь к обсуждению альтернативных процедур (например, температуры).

4. дрейф спектроскопия

Примечание: Для этого примера будет использоваться программное обеспечение Спектрометр FTIR, перечисленные в Таблице материалов .

  1. Приобрести спектры необработанной почвы и минеральных обогащенного эталонного образца (лечение для удаления сом).
    1. Подготовка проб почвы.
      1. Развести образцы (необязательно).
        1. Использование чда KBr (или других галогенидов соли) сушат при температуре 105 ° С и хранятся в эксикатор для удаления остаточной влаги. Для проб почвы эффективное KBr разведениях может быть достигнуто в диапазоне 1-33%, в отличие от < 1% для чистого соединения.
        2. Смесь почвы и КБР для окончательной выборки 100-400 мг. Например, для 3% разрежения, аккуратно шлифуют 12 мг сухого образца с 60 мг KBr для 60 s с агатом ступку и пестик. Затем сложите в 328 мг KBr до полной гомогенизации образца.
        3. Использование серийных разведений с КБР для получения высокой окончательный разрежающего (< 1%). Выполняйте реплицировать разведениях для обеспечения воспроизводимости, особенно поскольку разреженных образцы используют 101-102 меньше почвы, чем аккуратные образцы.
      2. Измельчить обработанной и необработанной почвы образцов подобной консистенции вручную измельчения и рассева (например, 250 мкм, используя сито 60 #).
        Примечание: По сравнению с стороны шлифования, большей согласованности способствует автоматизации, в частности фрезерованием мяч. Однако относительно небольшое количество почвы, используемых в SOM удаления (например, 1-3 g для озоления объёму тигле) означает что ручная шлифовка может быть более практичным.
    2. Соберите фонового спектра.
      1. Загрузите образец KBr (Земля так же, как образцы почвы (см. 4.1.1.2) для имитации почвы матрица эффектов) в образце чашку или пластины хорошо.
        Примечание: «Спектр фон» отличается от спектра обогащенные минеральными ссылку (см. 4.1.3) используется для выполнения вычитания. Спектр фон будет использоваться программное обеспечение для удаления атмосферных и других окружающего absorbances во время сбора спектров на образцы почвы. Все описания программного обеспечения являются специфическими для выбранной программы и должны быть адаптированы к другим программным обеспечением.
      2. Очистите палате спектрометр с CO2- и H2O-шероховатый воздуха (через генератор газа продувки) или N2 газа для обеспечения большей согласованности в коллекции условий. Например коллекция спектров под окружающей атмосферы может повлечь за собой небольшие колебания влажности и CO2 , что может вызвать изменения в спектрах поглощения.
        Примечание: Новые спектрометры могут иметь зеркала (например, золото, SiC), которые также можно потенциально уменьшить влажность эффекты.
      3. Собирайте фонового спектра, используя же детектор и приобретение настройки параметров, включая номер сканирования, волновое диапазон и резолюции, которая будет использоваться для сбора спектры образцов.
        1. Откройте раскрывающееся меню для эксперимента и выберите желаемый экспериментальный сборник метод (например, приобретение режим).
          Примечание: В этом примере с помощью выбранной спектрометр (см. Таблицу материалы), выбранный метод является IS50 основной отсек.
        2. Щелкните значок Экспериментальной установки , чтобы выбрать параметры спектрального приобретения.
        3. На вкладке собирать проверьте, что количество сканов и резолюции являются подходящими для экспериментальных целей; например общий параметр для ДРЕЙФА спектры аккуратные почв является 128 сканирование с разрешением 4 см-1 . Щелкните Ok для сохранения изменений.
        4. Щелкните значок Собирать фон для сбора фонового спектра. Сохранение фона спектра для использования в коллекции спектров почв (лечить и не лечить).
    3. Приобрести спектры образцов почвы.
      Примечание: Используйте те же параметры сбора для сбора пример (необработанной почвы, обогащенные минеральными почвы) и фон спектры. Различия между детекторы во время приобретения и резолюции создают компромиссов, которые влияют на время сбора и спектрального качества. Типичные проверки числа почвы спектров в диапазоне от 128-512 сканирования. Сканирования число может быть уменьшено, и реплицирует среднем получить номер Общая цель сканирования. Например, два аналитических реплицирует - того же образца, загруженной в двух отдельных скважин - могут собираться с помощью 64 сканирует и в среднем для в общей сложности 128 сканирования.
      1. Загрузите образец грунта. Для обеспечения последовательной загрузки и свести к минимуму шероховатости поверхности, налить образцы в чашке образца (или хорошо) до точки слегка переполнения выше губы или край чашки. Затем гладкую поверхность почвы в чашке с помощью плоский край (например, бритвы) таким образом, что высота почвы образца в Кубке заподлицо с губ Кубок.
        Примечание: Из-за взаимодействия инфракрасного света с матрицей такие почвы в режиме диффузного отражения, пример загрузки могут влиять на спектры ДРЕЙФА. Образцы следует не набивали или подвергаться давлению, поскольку упаковка плотность может повлиять на поглощение. Тонкие размер частиц образцов обеспечивает большую легкость поверхности сглаживания (см. 4.1.2.1). В зависимости от модели спектрометра и плотность образца масса образца необходимо заполнить образец Кубок будет варьироваться от 300 до 600 мг. В случае тарелка скважин это также зависит от размера хорошо. Пластины с большим числом скважин будет иметь меньше скважин и поэтому потребует меньше образца. Например 96-луночных пластины обычно имеют хорошо объем 360 мкл, тогда как 24-ну плиты имеют хорошо объемом 3,4 мл.
      2. Собирайте спектры образцов обработанной и необработанной почвы. Используется первый убедитесь, что фон спектра собранных ранее (см. 4.1.2.3.4). Щелкните экспериментальной установки. На вкладке собирать выберите использовать указанный справочный файл и загрузить файл фонового спектра. Щелкните Ok для сохранения изменений. Начать спектральных коллекции на почве, нажмите Собирать образца.
        Примечание: Повторно загрузите того же образца в различных хорошо или Кубок выборки для сбора реплицировать спектры для учета рассеяния артефакты, производится путем шероховатости поверхности и изменчивость в матрицы плотности.
  2. Выполняют спектральный вычеты.
    Примечание: вычитание фактор (SF) весит степень, в которой absorbances в спектре минеральных ссылка вычитаются из absorbances на соответствующий волновое в спектре необработанной почвы. Для вычитания, сосредоточены на совершенствовании резолюции органических absorbances характеризовать сом рекомендуется использовать весь мир, обеспечиваемой большинство спектрометры (например, 4000 до 650 или 400 см-1, в зависимости от детектора). Следующие шаги описывают эмпирический метод для определения SF. Все описания программного обеспечения являются специфическими для выбранной программы и должны быть адаптированы к другим программным обеспечением.
    1. Ноль из вершины с помощью параметра вычитания программного обеспечения для изменения вычитания фактор (SF) для сведения к минимуму или уменьшить целевой минеральных пиков и/или минеральные вершины, и/или максимальной линейной базовых14.
    2. Одновременно выберите спектры обработанной и необработанной почвы и щелкните значок Subtract (вверху по центру экрана); первый спектра выбран (необработанной почвы) будет спектра, от которых будет вычитаться второй спектра (обработанного грунта).
    3. Используйте вертикальную переключения бар или стрелки для увеличения или уменьшения SF (в левой части экрана). Наблюдать за изменениями в просмотре вычитания спектра.
      1. Эта функция итеративный определить соответствующие SF, как описано в Представитель результаты. Численное значение SF появляется в середине панели переключения. Для настройки значений диапазона SF, используйте кнопки Finer и Coarser .
    4. Нажмите Add (верхней правой части экрана), чтобы загрузить вычисляемых вычитания спектра в окно.
      Примечание: Поскольку большинство минеральных absorbances, не линейная с концентрацией в большинстве (если не все) проб почвы, целесообразно обычно не удалить все минеральные пиков. Рекомендуется рассмотреть менее склонны к инверсии минеральных пиков (например, кварц как Si-O на 2100-1780 см-1)14 использоваться в качестве целевого пик к нулю out, регулируя SF.
    5. Запись и отчёт методологические детали на как вычитание была выполнена с достаточно подробно, чтобы позволить независимым вычисление вычитания спектра же от спектра необработанной почвы, включая: (1) используется для вычитания, волновое региона (2). SF или диапазон SFs используется и (3) (минеральные) пик или региона предназначенных для нулевой ing вне.
      Примечание: Хороший тест надежности Вычитание должно иметь его заново выполняется тем же пользователем и/или самостоятельно другим пользователем с помощью параметров сообщил вычитание.
  3. Интерпретации спектров.
    1. Выполняют спектральный интерпретации, используя различные ресурсы, имеющиеся для анализа и интерпретации результате вычитания спектров, в частности назначения absorbances органические функциональные группы4.
      Примечание: Другие виды вычитания спектра включают многофакторного анализа (например, анализ главных компонентов), chemometric прогнозирование почвы аналитов27и даже судебно-дактилоскопия9.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Метод удаления SOM имеет как практическое, так и теоретические последствия для интерпретации спектров вычитание. Например минеральных изменения от высокой температуры озоления может проявляться как потери или появления пиков и/или как перенесен или расширить пики в спектре полезных ссылок. Эти спектральные артефакты могут возникать в регионах совпадения с органическими полосы на 1600-900 см-1,22 ущерба для интерпретации органических полос. Общие изменения минеральных полос, после высокой температуры озоления (≥ 550 ° C) проявляется в рисунке 2 и включают в себя потери OH пиков на 3700-3600 см-1и пик потери и изменения в решетке Si-O и Аль-O пиков на 1050-800 см-1. С другой стороны сом удаления с помощью химического окисления стремится сохранить полезных функциональных групп и тем самым риски меньше артефактов (см. обсуждение). Однако это обычно происходит в стоимость ниже сом удаления28, о чем свидетельствует пример почв (Таблица 2). Это ограничивает интерпретации состава органических функциональной группы в вычитания спектра меньше всего бассейна сом.

Химического окисления может быть привлекательной альтернативой для озоления для мебели минеральных стола, потому что они обычно сохранения структуры минерала и таким образом избежать артефакты поглощения функции в спектрах ссылки и, таким образом, результирующая вычитание спектр14,22. Например почвы потеряли 89% почвы органического углерода (SOC) окислением NaOCl, по сравнению с 97% озоления (Таблица 2) при сохранении возможности минеральных поглощения изменены озоления (рис. 2). С другой стороны неполной и потенциально выборочного удаления сом означает, что не будет NaOCl стойкие органические вещества характеризуются5,29,30, требующих тщательного толкования вычитания спектр14. Количественной сом потери с каждой дополнительной окисления лечение может использоваться для определения оптимального числа окислительной лечения для удаления сом. Оценки в примере окисления метод с использованием NaOCl показал, что сом удаления перестала расти после 3 шаги окисления независимо от ли СОМ содержание образцов был низким (< 2% C) или высоким (36% C). С каждым шагом последовательных окисления, цвет супернатант может измениться с различными оттенками Фиолетовый/черный/оранжевый светлее коричневато-красный до оригинальной зеленовато желтый цвет отбеливатель (то есть, непрореагировавшие разбавляют NaOCl).

Шлифовка для уменьшения и однородный гранулометрический состав почвы может улучшить спектрального качества путем уменьшения рассеяния света от крупных частиц и инверсии сильно поглощающих компоненты31. Хотя максимальный размер частиц 250-100 мкм считается оптимальной для сведения к минимуму таких артефактов32, недавние оценки показывают, что шлифовка после 2000 мкм не улучшить обязательно спектрального качества для chemometric прогнозы33, 34. Однако более мелко образцы почвы земли все еще может принести расширение (острее) поглощения пики и выставку снижение поглощения изменчивость33, которой будут пользоваться спектральных вычеты. С другой стороны некоторые исследования показали, что шлифовальные (например, до 200 мкм) может вызвать более неоднородность распределения частиц по размерам чем стандартные просеивания (например, 2000 мкм)35,36. Воздействие этого на спектральное качество скорее всего зависит от целей эксперимента (например, интерпретация полос поглощения, предсказание chemometric C фракций) и почвы свойства (например, текстуры, минералогии)29. Это рекомендуется, оценку воздействия измельчения размер на вычитание спектры для данного набора почв и целей. Обработанного грунта образца, используемого для спектра полезных ссылок может иметь тонкие размер частиц, чем соответствующие необработанной почвы вследствие нарушения агрегатов путем удаления сом.

Использование образцов аккуратные (неразбавленный) почвы широко распространена в использовании дрейф спектроскопии вследствие облегчения анализа и выше пропускная способность. Для высокой чистоты образцов с помощью ИК невидимка галоидных солей (например, KBr, NaBr, ки) традиционно выполняется пример разрежения. Для ДРЕЙФА спектральные характеристики компонента органических почв однако, галоидных солей разрежения является менее выгодным. Это потому, что разведение образцов стремится улучшить разрешение absorbances для доминирующие компоненты (минеральные), но не обязательно те, представляющих мелкие компоненты (органических)5,37. Тем не менее могут быть преимущества для разбавления пробы почвы, которые можно эмпирически оценить для каждого образца5.

Чтобы проиллюстрировать роль фактора вычитания (SF) в выполнении спектральных вычеты, считаем, что вычитание спектры получены для почвы с помощью спектр NaOCl окисляется почвы как ссылка (рис. 3). Как SF увеличивается от 0 до 1, уменьшение поглощения полосы, соответствующие минералы, прежде всего минеральные поверхности O-H в 3618 см-1 и Si-O в 1880 и 808 см-1. Одновременно увеличение поглощения для группы, представляющие органические функциональные группы как алифатические C-H растянуть на 2 920 см-1 и потенциально Амида C-N и N-H и/или ароматические C = C на 1 558 см-1. Однако, с ростом масштабов SF, возникают инверсий минеральных absorbances как Si-O на 2100-1780 см-1 . Как NaOCl окисления удаляется 89% всего SOC в почве с 2,2% C (таблицы 1, 2), и учитывая, что сом оценивается в 58% C38, может быть рассчитана теоретическая SF 0,97. Однако нелинейность поглощения приводит над вычитания полезных функций, с помощью этого SF (рис. 3).

Более практический подход необходимо оперативно определить SF, основанный на удаление компонента минеральных поглощения «Отмена» или нулевой ing из целевого peak(s). Кварц подобные функции Si-O на 2100-1780 см-1 являются подходящей мишенью минеральных absorbances, потому что они возникают из основных Si-O вибрации, которые менее подвержены зеркального отражения14,37. Например, на рис 3, ноль ing кварца Si-O на 2100 - 1780 см-1 предлагает SF в диапазоне 0,7 - 0,8 более пригодны для уменьшения доминирующей минеральных absorbances чем априори SF о 0,97 рассчитано исходя из разницы в массы (т.е., сом удалены), между двух пробах.

Потенциальные проблемы в выборе SF инверсии и oversubtraction, оба свидетельствуют отрицательных пиков, которые напоминают пик вверх вниз или «W» форму14, или в случае сильного вычитание, зеркальное изображение спектра необработанной почвы. Инверсий не возможно избежать вообще, поскольку они являются общими для Si-O на 1150-800 см-1, но может быть сведено к минимуму. Инверсий следует отметить региона нон грата для спектральных интерпретации22,39 , потому что в этих регионах поглощения может отражать, как была выполнена операция вычитания больше, чем поглощающей компонентов, особенно для несовершеннолетних составляющих, таких как объектную модель.

Спектральная программное обеспечение, сопровождающих современные ФУРЬЕ спектрометров может быть полезным для руководства и выполнять вычитание. Полезность такого программного обеспечения заключается в режиме реального времени и итеративный регулировка SFs во время просмотра результирующий вычитания спектра. Однако по умолчанию SF, предложенного спектрального программного обеспечения следует рассматривать с осторожностью потому что критерии программного обеспечения не могут быть подходящими для целей эксперимента и образцы таких почв (например, нелинейный поглощения, инверсии полезных функций). Например, особое программное обеспечение, используемое для вычисления вычитания спектра в рисунке 3 (см. таблицу материалов) предложил SF 1,45, основанный на Линеаризация базового показателя в результате вычитания спектра40, который пропускает Цель ноль ing из Си-O на 2100-1780 см-1 для интерпретации органических absorbances в 1800-1000 см-1. Важно отметить, что SF, предложенный программного обеспечения зависит также от выбранного для вычитания, потому, что программное обеспечение оптимизирует операции вычитания для определенных спектральных региона волновое число диапазона. Дополнительные преимущества программного обеспечения включают спектральной обработки преобразования (например, КУБЕЛКА-Мунк, властных функций) для улучшения спектрального качества (например, линейные базовых) перед выполнением вычитания.

Спектр полезных ссылок может содержать функции поглощения, под влиянием метод удаления сом, с последствиями для выполнения и толкования спектральных вычеты. Сравнение различий между необработанной и оподзоленные минеральных ссылка спектры (рис. 2) может помочь определить, какие из этих функций может быть вызвано артефакты сом удаления. В отличие от окисления NaOCl озоление произведены изменения в полос поглощения, представляющие полезных функциональных групп, особенно филлосиликатный поверхность и межслойной O-H (3700-3600 см-1), Аль-OH (915 см-1) и Si-O (796, 521 см-1) . Кварц как Si-O полос (2100-1,780, 1 159 см-1) не проявляют заметного изменения в оптической плотности (интенсивность или волновое число) либо лечения.

Примером чрезмерной вычитание и риск неизвестные артефакты, вытекающие из СОМ удаления методом выбора является продемонстрировал для озоления на 550 ° C на рис. 4. Хотя с SF 0,76 достигается нулевой ing, кварц как Si-O на 2100-1780 см-1 , видные W-образный инверсии в 1100-450 cm-1 свидетельствует о том, что толкование вычитания спектра должна быть ограничена > 1200 см-1. Как ссылка спектра был получен высокой температуры озоления, потери минеральных поверхности OH в 3700-3600 см-1 (см. Рисунок 2) означает, что эти острые пики являются артефактом, который не должен быть цель ноль вне. Попытки сделать это будет скорее всего компромисс других областях спектра. Например, не признавая функцию на 3700-3600 см-1 , как артефакт может мотивировать пользователю увеличение SF уменьшить (SF = 1,24) или попытки к нулю out (SF = 1.51) Этот артефакт за счет чрезмерной вычитания оставшихся областях спектра, включая органические absorbances в 1800-1200 см-1 (рис. 4).

Это также возможно для чрезмерно вычитания спектра полезных ссылок, таких как в попытке укрепить конкретные группы без учета воздействия на других областях спектра (рис. 5). Хотя это может быть оправдано экспериментальных целей (см. обсуждение), пример на рисунке 5 повышения алифатических стрейч C-H в 3000-2800 см-1 «любой ценой» оказывает оставшаяся часть спектров нечитаемое, включая регион, соответствующий к большинству органических функциональных групп, имеющих отношение к характеристике СОМ на 1800-1000 см-1. Показатель превышения вычитания является углубление инверсии спектральной функции за пределы подверженных инверсии Si-O полосы как SF увеличивается от 0,81 до 1,35 до 1,72. И наоборот, неполное удаление этих целевых минеральных полос означает, что SF, вероятно, недостаточно, как доказательства для вычитания выполняется с SF 0.32. SF 0,81 нуль аутов цели Si-O расположен на 2100-1780 см-1 при сведении к минимуму инверсий.

Сравнения спектров вычитание, рассчитывается от спектров получена ссылка высокой температуры озоления и химическое окисление указывают на общие черты, улучшено путем вычитания в 1750-1350 см-1 выданных органических функциональных групп, но и демонстрируют различия за счет изменения минералов и потенциально количество сом удалены (рис. 6). Обратите внимание, что аналогичные SF было получено для вычитания, с помощью минеральных ссылки полученные озоления (SF = 0,76, рис. 4) против окисления NaOCl (SF = 0,81, рис. 5). Для данного метода удаления сом, различия визуально очевидны между вычитания спектры высокого и низкого органического вещества почвы, которые являются менее видимыми или отсутствует в спектрах необработанной почвы (рис. 6), соответствующий алифатических C-H (стрейч) в 2916 см-1и кетонов и амидных C = O с возможный вклад конъюгированных C = C в 1647 см-1, амид C-N и N-H в 1568 см-1, алифатических C-H (изгиб) на 1427 см-1и фенола и/или карбоксильных C-O в 1275 см-1. Важно, что спектры вычитание пониматься как оперативный метод оценить относительные изменения в absorbances, которые могут быть назначены для органических функциональных групп с различной конечно в зависимости от типа и абсорбция диапазон выборки (из-за потенциально перекрывающиеся диапазоны)4.

Figure 1
Рисунок 1. Иллюстрация спектральных вычитания для повышения органические полос с использованием фонового спектра той же почве после удаления сом химического окисления (NaOCl). ДРЕЙФ спектров были собраны без KBr разбавления пробы почвы. Почва является Mollic Xerofluvent под сельскохозяйственного использования в долине Калифорнии Сакраменто (22 мг C g-1 почвы). Вычитание спектров были рассчитаны с коэффициентом Вычитание 1.0. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2. Сравнения спектров обогащенные минеральными фона или ссылку для выполнения спектральных вычеты, полученных различными методами удаления сом. Сопоставление обработанной и необработанной почвы показываются на поверхности горизонт (p) Mollic Xerofluvent сформированы на смешанные аллювия в Калифорнии, США (22 мг C g-1). Спектры соответствует оригинальной почве без лечения (вверху), следуют почвы после лечения удаления сом химического окисления (NaOCl) (посередине) и высокой температуры горения (550 ° C) (внизу). ДРЕЙФ спектров были собраны на образцы почвы без разбавления KBr. Серые коробки выделить характерные полосы минеральных поглощения спектров почвы, центрированного 3620 см-1, 1870 см-1 и 800 см-1. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3. Пример увеличения коэффициента вычитания (SF) интервалы 0,1 от 0.1 (минимальный вычитание) до 1,0 (равный вычитание оригинальные спектра почвы и ссылка спектра). SF весов степени к которому ссылка спектра (почвы A после нагрева в 550 ° C 3 h) вычитается из оригинального спектра (необработанных) почвы (почвы A). Как фактор вычитание уменьшается, полос поглощения соответствующих минералов увеличения (3618 см-1, 1880 см-1, 808 см-1), и группы, представляющие органические уменьшения (2920 см-1, 1 558 см-1, 1240 cm-1 ). ДРЕЙФ спектров были собраны на образцы почвы без разбавления KBr. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 4
Рисунок 4. Примеры чрезмерного вычитание и риск неизвестные артефакты, вытекающие из метода удаления сом (озоления в 550 ° C). Даже с нуля ing, кварц как Si-O на 2100-1780 см-1 (серый прямоугольник) (SF = 0,76), выдающийся W-образный инверсии в 1100-450 см-1 (стрелки) предполагает толкование вычитания спектра должна быть ограничена > 1200 см-1. Поскольку ссылка спектра был получен от высокой температуры озоления (550 ° C), потери минеральных поверхностей OH на 3700-3600 см-1 (серый прямоугольник) (см. Рисунок 2) указывает, что этот пик является вероятно артефакт. Не признавая функцию на 3700-3600 см-1 , как артефакт может ввести в заблуждение пользователей увеличить SF уменьшить (SF = 1,24) или ноль (SF = 1.51) эта спектральная функция за счет oversubtracting оставшиеся спектральных регионов, включая органические absorbances в 1800-1200 см-1. Дополнительные артефакты из озоления включают функцию на 2300 см-1 (стрелка). ДРЕЙФ спектров были собраны на образцы почвы без разбавления KBr. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 5
Рисунок 5. Примеры вычитание идеально и неидеальной спектры с использованием минеральных ссылку получен окислением NaOCl. Недостаточная вычитания (низкая SF = 0,32) означает, что известные минеральные absorbances (серые коробки) по-прежнему присутствуют. Увеличение SF к нулю, кварц как SiO в 2100-1780 см-1 (SF = 0,81) равновесие среди критериев удаления этой минеральных поглощения как прокси для минеральных дублирования на 1800-1000 см-1, минимизации инверсий Si-o < 1100 см -1и поддержание линейной базовых. В попытке повысить алифатических C-H-стретч в 3000-2800 см-1SF может быть увеличена (до 1.35 или 1.72), но это приводит к oversubtraction различной степени. Спектры были собраны на аккуратные (неразбавленный KBr) образцы дрейф спектроскопии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 6
Рисунок 6. Парные сравнения спектров дрейф высокой (вверху) и низкого (внизу) органического вещества почвы демонстрации потенциал спектральных вычеты для улучшения интерпретации органических absorbances, по сравнению с оригинальной почве спектры. Различия в absorbances, соответствующий минеральных (серый ящик) и органические (пунктирная линия) полос поглощения очевидны между высокой и низкой сом почвы и/или среди трех набор спектров: спектры оригинал (необработанных) почв и спектров, полученных Вычитание из необработанной почвы спектра, используя почвы, обогащенные минеральными для спектра полезных ссылок, полученные путем теплового горения («озоления») или химическое окисление минеральных ссылку. Органических absorbances, которые отличаются между высоким и низким сом образцов может объясняться алифатических C-H (2916 см-1), кетоны и/или Амида C = O с возможный вклад конъюгированных C = C (1647 см-1), амид C-N и N-H или возможных ароматические (C = C 1,568 см-1), алифатических C-H (1427 см-1) и карбоксильной и/или фенол C-O (1275 см-1). Почвы, от горизонтаp A Entisols, формируется из смешанных аллювия в долине Сакраменто (Калифорния, США). Спектры были собраны на аккуратные (неразбавленный KBr) образцов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Почвы СОМ
содержание		 SOC
(мг g-1)		 ГРУНТ pH
(1:2, вода)		 Глина
(мг g-1)		 песок
(мг g-1)
A Высокая 22 9.4 6.5 166 133
B Низкая 7 9.3 6.7 126 451
ШОК, почвенного органического углерода; Грунт, углерода соотношение азота

Таблицы 1. Свойств почв, используемый для демонстрации методов спектрального вычитание для улучшения характеристика сом, используя дрейф спектроскопии. Почвы являются аналогичными минералогии, но демонстрируют различия в концентрации органических веществ. От горизонтаp A Entisols, формируется по смешанной аллювия в долине Калифорнии Сакраменто, США были взяты пробы почвы.

Почвы OM
содержание		 SOC
(мг g-1)		 SOC потери (%)
NaOCl-ox оподзоленные
(500 ° C)
A Высокая 22 -89.1 -96.5
B Низкая 7 -82.5 -97.2
ШОК, почвенного органического углерода; NaOCl быка, окисленные гипохлорита натрия

В таблице 2. Пример различной съём сом путем сжигания против химического окисления. Образцы почвы, лечение для удаления органического вещества используются для получения спектра обогащенные минеральными ссылку для выполнения спектральных вычеты для улучшения характеристика сом функциональной группы композиции с помощью дрейф спектроскопии.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Метод удаления сом носит два соображения: 1 количество сом удалены, и 2) поглощения артефакты в результате минеральных ссылки спектра. Это к счастью возможно — и возможно необходимые — для выявления и количество эти вопросы, с тем чтобы избежать предвзятых интерпретаций сом композиции от результате вычитания спектра. В идеале спектральные вычеты будет использовать минеральные-ссылка только спектра приносить спектр «чистый» сом. В действительности результате вычитания спектра экспонатов absorbances, соответствующий сом, которые являются укрепление по отношению к оригинальной спектра (необработанных) почвы. Это потому что нелинейный поглощение минеральных компонентов в пробах почв предотвращает полное всех минеральных absorbances. Артефакты минеральные absorbances и/или неполное удаление сом ограничить интерпретации особенностей конкретных поглощения или толкования общего пула сом, соответственно.

Как видно из примеров, показанных здесь, два общих метода для удаления СОМ для получения полезных ссылок спектры (теплового горения или озоления и химическое окисление), как правило, порождает компромисс между степенью удаления сом и спектральные артефактов. Они имеют различные последствия для интерпретации спектров вычитание. По той же причине, что он используется в потери зажигания (LOI) метода для оценки содержания сом высокой температуры озоления (≥ 350 ° C) удаляет почти все сом, но скорее всего изменить кристаллических структур минеральных и таким образом производить изменения в группах минеральных поглощения. Как показано здесь, это будет проявляться как артефакты в вычитания спектра если спектральный взносы от минералов до и после озоления отличаются. Тепловая чувствительность минералов, которые могут быть минерал конкретным, силы компромисс о полезности спектральных вычеты рассчитываются с ссылкой спектров, полученных озоления, особенно при высоких температурах (например, 550 ° C). Минеральные изменения конкретных минеральный тип и озоления температуры включают dehydroxylation, межслойной коллапса и обезвоживания41,,4243и были зарегистрированы в спектрах почв различных минералогии 10 , 28 , 44 , 45.

Информация о минералогии пробы почвы может использоваться заранее для определения температуры озоления, которая предотвращает или уменьшает минеральных изменения (например, межслойной распада каолинита или выше 350 ° C). Минеральные артефакты могут быть определены и ожидалось, подвергая пробы почвы для озоления в различной температуры и сравнивая результате спектры с спектры необработанной почвы и чистых минеральных стандартов10,46. Один может также ограничить образец набора минералогии для того, чтобы сохранять вычитание артефактов, которые в результате постоянной озоления через пробах. Наконец более низкие температуры озоления (например, 350 ° C) может использоваться для расширения некоторых органических полос по10,47. Подобно химического окисления, использование более низких температур обычно поставляется по цене ниже28 (Таблица 2) и удаления потенциально селективного10 сом.

Химического окисления в целом менее склонны вызывать полезных изменений, в частности для Филлосиликаты, но может повлиять на других минеральных фракций таких как оксиды железа (гидр). Если известно, минералогических образцов почвы следует учитывать при выборе окислителя. Например сравнительно высокое количество сом с минимальными или без растворения минеральных оксидов, в отличие от других окисляющих агентов (например, перекись водорода)48,49,50 можно удалить гипохлорита натрия , 51. Ожидается, что эти эффекты зависят минералогии и/или сом (например, высокая доля органического вещества минеральные граница может быть более устойчивы к некоторым, но не другие окисления).

Причина, почему нуль ing из целевой минеральных полос стратегию лучше, чем полагаться на программное обеспечение рассчитывается или априори SFs является, что они может должны быть скорректированы, если целевой минеральных полос не удаляются полностью. Как это характерно для минеральных полос из-за высокой филлосиликатный концентрации в пробах почвы и таким образом-нелинейная поглощения в спектрах (например, Si-O растянуть на 1100-950 см-1)22, особенно для широко распространенной практики анализа аккуратные образцы (галоидных солей неразбавленный), корректировка SF следует изучить для сведения к минимуму минеральных полос согласно экспериментальных целей.

Спектральная вычеты предлагают заметное улучшение способности почвы спектров использоваться для интерпретации органические функциональные группы, которые составляют сом путем улучшения интерпретируемости органических absorbances в регионах с перекрывающимися минеральных absorbances. Даже органические полос хотя, чтобы быть относительно свободной от минеральных могут воспользоваться спектральных вычеты. Например алифатических стрейч C-H в 3000-2800 см-1 считается наименее посрамлены минеральных органических группы в почве спектры22, но его резолюции можно по-прежнему заметно улучшилось с спектральных вычеты52. Вызовы для интерпретации спектров FTIR химически комплекс образца, такие, как СОМ не быть объединены с ограничением метода или его модификации (например, вычеты), потому что такая сложность является неотъемлемым атрибутом сом, который также вызовы других спектроскопических подходы (например, спектроскопия ядерного магнитного резонанса)1,5.

Спектральная вычеты предлагают уникальную стратегию для решения проблем, присущих спектроскопического анализа сом, вытекающих из минеральных доминирование образцов почвы и с сильным взаимодополняемости с другими методами с свои собственные различные ограничения5, 14. Например отдельный подход к улучшению ФУРЬЕ спектрометрия СОМ является предварительной обработки почвы с фтористоводородную кислоту (HF), чтобы удалить большинство минеральных компонентов. Так как деминерализации образцов почвы является обычной для ЯМР спектроскопического анализа, же ВЧ лечение почвы часто также анализируются ФУРЬЕ спектроскопии. Однако деминерализации с ВЧ может породить значительные потери сом, которые подрывают ее полезности как изолированный подход53,54. Например почти одна треть сом почвы A (таблицы 1 и 2) был удален во время лечения ВЧ5.

Важно отметить, что утилита вычитание для анализа почвы для повышения потенциальных органических полос интерес, в частности wavenumber(s), вместо того чтобы приносит полную вычитания всех вмешательства минеральных absorbances55, 56,,5758. По этой причине вычеты может быть более или менее подходят для конкретных областях спектра. Нгуен и др. 4 признала, что вычеты, вероятно, наиболее полезным для повышения органические полосы на 1800-1600 см-1, что Ривз III22 диагноз как спектральные регион, для которого Точная вычеты были возможны даже с артефактами от Ссылка спектров, полученных от высокой температуры озоления. Минеральные absorbances Si-O в этом регионе вычесть точно, в отличие от других регионов (например, 1000-400 см-1) вследствие нелинейных поглощения и инверсии минеральных полос как Si-O на 1050-980 см-1 37 ,59.

Потенциально плодотворного области будущей работы является систематически свойства адреса почвы, ожидается, что влечет за собой пример конкретных артефактов, представленный метод удаления сом. Основная задача спектрального вычеты является сложность получения спектра полезных ссылок, имеющий вблизи или полного удаления сом еще минимальными или не артефакты от удаления сом. Нынешние методы высокотемпературные озоления и химическое окисление порождает компромисс между этими двумя целями. Выявление минералогии специфических артефактов, обнаруживаемая в спектров FTIR через диапазон сом удаления условий и типов почв, а также чистые минеральные стандартов, будет первым шагом на пути создания почвы конкретные рекомендации22. Альтернативные методы удаления сом еще предстоит систематически проводятся расследования. Перспективные методы удаления включают низкой температуры озоления (часто выступал под низким давлением) и химического окисления, перекись водорода и натрия пероксодисульфата14.

Спектры деминерализованной с помощью ВЧ почв может использоваться для сравнения вычитание спектров, полученных различными методами. ВЧ может использоваться для растворения и удаления большинства минеральных компонента образцов почвы, уступая обогащенный сом образца. Так как спектр ВЧ лечение образца грунта в теории должны быть аналогичны вычитания спектра же почвы с использованием спектра полезных ссылок, полученные путем полного удаления сом, сравнивая спектры сом, полученные ВЧ деминерализации против вычитание может использоваться для перекрестной проверки полос поглощения, идентифицировать артефакты и повысить уверенность в спектральных назначения5, в частности в регионах, подверженных вычитание артефакты через инверсии (< 1200 см-1). Однако неполной и/или выборочного удаления минеральных и органических компонентов во время лечения ВЧ означает, что спектры ВЧ лечение почв не могут предложить «цель» спектр сом, только оперативной сравнения, который, не в отличие от спектральных вычеты, должны тщательно рассматривать в свете возможных артефактов.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgments

Мы высоко ценим рекомендации от д-р Рэнди Southard NaOCl окисления и различных дискуссий о спектральных вычеты с доктором Фунгаи 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

Экологических наук выпуск 143 почвы органического вещества почвы (СОМ) Фурье преобразование инфракрасной спектроскопии (FTIR) диффузные отражения инфракрасного Фурье (дрейф) окисления гипохлорит натрия (NaOCl) спектральный вычитание функциональная группа
Улучшение инфракрасной спектроскопии характеристика органического вещества почвы с спектральных вычеты
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