Mejorar la caracterización de la espectroscopia infrarroja de materia orgánica del suelo con restas espectrales

Summary

SOM es la base de muchos procesos y funciones del suelo, pero su caracterización por espectroscopia FTIR es desafiado a menudo por interferencias minerales. El método descrito puede aumentar la utilidad del análisis SOM por espectroscopia FTIR restando interferencias minerales en espectros del suelo usando empíricamente obtenidos espectros de referencia mineral.

Abstract

Materia orgánica del suelo (SOM) es la base de numerosas funciones y procesos del suelo. Fourier transforma infrarrojo (FTIR) la espectroscopia detecta infrarrojos activos bonos orgánicos que constituyen el componente orgánico de los suelos. Sin embargo, el contenido de materia orgánica relativamente bajo de los suelos (comúnmente < 5% por masa) y absorbancia superposición de grupos funcionales orgánicos y minerales en la región (MIR) de infrarrojo medio (4.000-400 cm^-1) genera interferencia substancial por dominantes absorbancia de minerales, un desafío o incluso prevenir la interpretación de los espectros para la caracterización de SOM. Sustracciones espectrales, un tratamiento matemático de post-hoc de espectros, pueden reducir la interferencia mineral y mejorar resolución de regiones espectrales correspondientes a grupos funcionales orgánicos quitando matemáticamente absorbancia mineral. Esto requiere de un espectro de referencia enriquecida con minerales, que puede obtenerse empíricamente en una muestra de suelo dado mediante la eliminación de SOM. El espectro de referencia enriquecida con minerales se resta del espectro original (sin tratamiento) de la muestra de suelo para producir un espectro que representa la absorbancia del SOM. Métodos de eliminación de SOM comunes incluyen combustión a alta temperatura (‘cenizas’) y oxidación química. Selección del método de eliminación de SOM lleva dos consideraciones: (1) la cantidad de SOM eliminado y artefactos (2) absorbancia en el mineral de referencia espectro y por lo tanto el espectro resultante de la resta. Estos posibles problemas pueden y debe, identificados y cuantificados con el fin de evitar interpretaciones falaces o sesgadas de espectros para grupo funcional orgánico composición de SOM. Después del retiro de SOM, la muestra enriquecida con minerales resultante se utiliza para recoger un espectro de referencia de minerales. Existen varias estrategias para realizar restas dependiendo de los objetivos experimentales y características de la muestra, en particular la determinación del factor de resta. El espectro resultante de la resta requiere cuidado de interpretación basada en la metodología mencionada. Para muchos suelos y otras muestras ambientales que contiene componentes mineral substanciales, restas tienen gran potencial para mejorar la caracterización espectroscópica de FTIR de la composición de la materia orgánica.

Introduction

Materia orgánica del suelo (SOM) es un componente menor en masa en la mayoría de las muestras de suelo, pero está implicada en varias propiedades y procesos funciones de suelo subyacente, como nutrientes bicicleta y carbono secuestro¹. Caracterización de la composición de la MOS es uno de los varios enfoques para vincular formación SOM y facturación con su rol en el suelo las funciones^2,3. Un método de caracterización de la composición de SOM es Fourier transforma (FTIR) espectroscopia infrarroja, que ofrece la detección de grupos funcionales que constituyen la materia orgánica en suelos y otras muestras ambientales (por ejemplo, carboxilo C-O, alifático C-H) ⁴. sin embargo, la utilidad de la espectroscopia FTIR para revelar la composición del grupo funcional SOM es desafiada por el componente mineral dominante para la mayoría de los suelos (típicamente > 95% masa) debido a la fuerte absorbancia inorgánico que desafían o limitar severamente la detección e interpretación de absorbancia orgánica.

Sustracciones espectrales ofrecen una forma de mejorar la caracterización espectroscópica de FTIR de la materia orgánica en muestras de suelo. Restando minerales absorbancia del espectro del suelo puede utilizarse para realzar absorbencia de grupos funcionales orgánicos de interés en el análisis de composición de SOM

(Figura 1).

Ventajas de sustracciones espectrales sobre espectroscopía FTIR estándar (es decir, espectros de suelo) incluyen:

(i) mejorar la resolución e interpretación de bandas de absorción orgánica en comparación con espectros de suelo normal. Aunque la interpretación de bandas de orgánicos en espectros del suelo puede realizar asumiendo que las diferencias relativas en la absorbancia son debido a diferencias en los grupos funcionales orgánicos, esto limita las comparaciones con las muestras con la misma mineralogía y SOM relativamente alta contenido y pueden ser menos sensibles a los cambios en bandas orgánicos, incluso ésos considerados ser relativamente libre de minerales (por ejemplo, estiramiento de C H alifáticos)⁵

(ii) el análisis de suelos más allá de muestras SOM o extractos enriquecida con materia orgánicos o fracciones

(iii) destacando los cambios inducidos por tratamientos experimentales de mesocosmos a campo escala⁶

Aplicaciones adicionales de sustracciones espectrales en análisis FTIR de la MOS incluyen complementando las caracterizaciones estructurales y moleculares (por ejemplo, espectroscopia NMR, espectrometría de masas)^5,7, identificando la composición de SOM quitado por una extracción o fraccionamiento destructivo⁸y huellas dactilares composición SOM para fines forenses⁹. Este método es aplicable a una amplia variedad de mezclas de minerales orgánicos más allá de los suelos, incluyendo sedimentos¹⁰,¹¹de turba y carbón^12,13.

El potencial de sustracciones espectrales para mejorar la caracterización espectroscópica de FTIR de la MOS es demostrado con ejemplos de remoción de materia orgánica para obtener espectros de referencia de mineral, y luego, utilizando estos minerales referencia spectra, realizar y evaluación sustracciones espectrales ideales y no ideal. Esta demostración se centra en reflectancia difusa infrarroja de Fourier espectros (deriva) recolectados en la región del infrarroja medio (MIR, 4.000-400 cm^-1), ya que este es un enfoque generalizado para el análisis de muestras de suelo⁴.

Los métodos de dos ejemplo de eliminación SOM para la obtención de un espectro de referencia enriquecida con minerales son (i) alta temperatura combustión (‘cenizas’) y (ii) química oxidación, utilizando hipoclorito de sodio diluido (NaOCl). Cabe señalar que estos son ejemplos de métodos de eliminación de SOM comúnmente empleados, en lugar de recomendaciones prescriptivas. Otros métodos de eliminación de SOM pueden ofrecer artefactos de minerales reducidos o mayor eliminación de tarifas (p. ej., intermitentes de baja temperatura)¹⁴. Intermitentes de alta temperatura fue uno de los primeros métodos utilizados para obtener espectros de referencia enriquecida con minerales para realizar sustracciones, inicialmente para las muestras enriquecidas con OM derivados de suelos (e.g., materia orgánica disuelta, camada)^{15, 16} , seguido por su aplicación a suelo muestras^17,18. La oxidación química de ejemplo utilizada para quitar el SOM se basa en el método de oxidación de NaOCl descrito por Anderson¹⁹. Esto fue desarrollado originalmente como un pretratamiento para la eliminación de materia orgánica en muestras de suelo antes del análisis de difracción de rayos x (DRX) y ha sido investigado como un posible fraccionamiento químico sensible a SOM estabilización^{20, 21}. retiro de alta temperatura y oxidación química usando NaOCl pueden implica artefactos específicos del suelo y tienen limitaciones en la interpretación de espectros que debe considerarse al seleccionar un método de eliminación de SOM^{14, 22}.

Protocol

1. preparar el suelo para espectroscopia deriva no tratadas y el retiro de SOM Tamice el suelo < 2 mm utilizando una malla de acero inoxidable (la ' fracción de tierra fina').Nota: Esta demostración emplea dos suelos de textura similar pero una diferencia casi 3-fold en el contenido total de SOM (tabla 1). 2. SOM eliminación por oxidación química: ejemplo de NaOCl Ajustar el pH de 6% w/v NaOCl a pH 9.5 añadiendo 1 M HCl gota a gota a la solu…

Representative Results

El método de eliminación de SOM tiene implicaciones tanto práctica como teóricas para la interpretación de espectros de resta. Por ejemplo, alteraciones de digestión de alta temperatura se pueden manifestar como pérdidas o apariciones de picos o como mineral cambió de puesto o ampliado picos en el espectro de referencia de minerales. Estos artefactos espectrales son propensos a ocurrir en las regiones de superposición con grupos orgánicos en 1.600-900 cm-1,<sup class=…

Discussion

El método de eliminación de SOM lleva dos consideraciones: 1) la cantidad de SOM eliminado y artefactos 2) absorbancia en el mineral resultante espectro de referencia. Es afortunadamente posible — y posiblemente necesaria, para identificar y cantidad de estos temas para evitar interpretaciones sesgadas de la composición de la MOS del espectro resultante de la resta. Idealmente, restas espectrales emplearía un espectro de referencia sólo mineral para producir un espectro de SOM. ‘puro’ En realidad, el espectro resu…

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