Waiting
Login processing...

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

Environment

Spektral Subtractions ile toprak organik madde karakterizasyonu kızılötesi spektroskopi iyileştirilmesi

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 pek çok toprak işlevler ve işlemleri altında yatan ancak onun karakterizasyonu FTIR spektroskopisi tarafından genellikle mineral etkileşimler tarafından reddedilmiştir. Açıklanan yöntemi SOM analiz yardımcı programını kullanarak toprak spectra içinde mineral etkileşimler ampirik olarak elde edilen mineral başvuru spectra çıkararak FTIR spektroskopisi tarafından artırabilirsiniz.

Abstract

Toprağın organik madde (SOM) altında yatan çok sayıda toprak süreçleri ve fonksiyonlar. Fourier transform Infrared (FTIR) spektroskopisi topraklar organik bileşen teşkil kızılötesi-aktif organik bağları algılar. Ancak, toprak (yaygın olarak < %5 oranında kitle) nispeten düşük organik madde içeriği ve mineral ve organik fonksiyonel gruplar (4.000-400 cm-1) orta-kızılötesi (MIR) bölgesinde absorbans çakışma tarafından baskın önemli girişim doğurur mineral absorbances, zor ya da bile spectra SOM karakterizasyonu için yorumlanması engelliyor. Spektral subtractions, spectra, post-hoc matematik tedavisinde mineral girişim küçültmek ve spektral bölgelerin matematiksel olarak mineral absorbances kaldırarak organik fonksiyonel gruplar için karşılık gelen çözünürlük geliştirmek. Bu ampirik olarak verilen toprak örneği için som kaldırarak elde edilebilir bir mineral zenginleştirilmiş başvuru spektrum gerektirir Mineral zenginleştirilmiş başvuru spektrum SOM absorbances temsil eden bir spektrum üretmek için toprak örneği özgün (işlenmemiş) spektrum çıkarılır. Ortak SOM kaldırma yöntemleri yüksek sıcaklık yanma ('yakma') ve kimyasal oksidasyon içerir. SOM kaldırma yönteminin seçimi taşıyan iki konuları: (1) SOM miktarını kaldırıldı ve mineral (2) absorbans aktarımında referans spektrum ve böylece sonuç çıkarma spektrum. Bu olası sorunları ve olmalı tespit ve spectra som organik fonksiyonel grubu bileşimi için safsata ya da önyargılı yorumlarını önlemek için sayısal SOM Temizleme elde edilen mineral zenginleştirilmiş örnek bir mineral başvuru spektrum toplamak için kullanılır. Subtractions bağlı olarak deneysel hedefleri ve örnek özellikleri, en önemlisi çıkarma faktör tayini gerçekleştirmek için çeşitli stratejiler vardır. Sonuç çıkarma spektrum dikkatli yorumu söz konusu Yöntembilimi'ne dayalı gerektirir. Pek çok toprak ve önemli mineral bileşenleri içeren çevre diğer örnekler için subtractions organik madde kompozisyon FTIR spektroskopik karakterizasyonu geliştirmek için güçlü potansiyeline sahiptir.

Introduction

Toprağın organik madde (SOM) çoğu toprak örnekleri kütle tarafından küçük bir kurucu olduğunu ama birden fazla özelliklerinde karıştığı ve temel alınan toprak işlevler, besin bisiklet ve karbon tutma1gibi işler. SOM bileşimi karakterize SOM oluşumu ve ciro toprak işlevleri2,3, rolleri ile bağlamak için birkaç yaklaşım biridir. SOM kompozisyon karakterize bir toprak ve diğer çevresel örnekleri (Örneğin, karboksil C-O, alifatik C-H) organik madde teşkil fonksiyonel grupların tespiti sunan Fourier transform Infrared (FTIR) spektroskopisi, yöntemidir 4. ancak, FTIR spektroskopisi SOM fonksiyonel grup kompozisyon ifşa için yeni topraklar çoğunluğu için baskın mineral bileşeni tarafından meydan (genellikle > %95 kitle) meydan güçlü inorganik absorbances nedeniyle veya ciddi bir şekilde algılama ve organik absorbances yorumunun sınırı.

Spektral subtractions toprak örnekleri organik madde FTIR spektroskopik karakterizasyonu geliştirmek için bir yol sunar. Toprak spektrum üzerinden mineral absorbances çıkarılarak absorbances organik fonksiyonel grupların ilgi SOM kompozisyon analizi geliştirmek için kullanılabilir

(Şekil 1).

Standart FTIR spektroskopisi (yani, toprak spectra) üzerinden spektral subtractions avantajları şunlardır:

(i) geliştirilmiş çözünürlük ve normal toprak spectra göre organik absorbans bantları yorumlanması. Organik fonksiyonel grupların farklılıkları nedeniyle absorbans göreceli farklılıklar olduğu varsayımıyla organik toprak spectra bantlarında yorumlanması tarafından yapılabilir rağmen bu karşılaştırmalar örnekleri ile aynı mineraloji ve nispeten yüksek SOM sınırlar içerik ve nispeten maden-Alerjik olmak organik bantlarında, hatta bu kabul değişikliklere daha az duyarlı olabilir (Örneğin alifatik C-H stretch)5

(ii) yüksek SOM örnekleri veya organik madde zenginleştirilmiş özleri veya kesir ötesinde toprak Analizi

(iii) alanına mesocosm üzerinden deneysel tedaviler tarafından indüklenen değişiklikleri vurgulama6 ölçekler

SOM FTIR Analizi spektral subtractions ek uygulamalar arasında yapısal ve Moleküler Karakterizasyonu (Örneğin, NMR spektroskopisi, kütle spektrometresi)5,7, tamamlayıcı belirlenmesi bir ayıklama veya yıkıcı ayırma8ve adli amaçlı9Parmakizi SOM kompozisyon tarafından kaldırıldı SOM bileşimi. Bu yöntem çok çeşitli toprak, tortu10, turba11ve kömür12,13gibi ötesinde Organik mineral karışımlar için geçerlidir.

SOM FTIR spektroskopik karakterizasyonu geliştirmek için spektral subtractions potansiyelini mineral başvuru spectra elde etmek için organik madde kaldırma örnekleri kullanarak gösterilmiştir ve sonra bu maden kullanarak başvurusu spectra, performans ve ideal ve ideal olmayan spektral subtractions değerlendirilmesi. Bu gösteri kızılötesi Fourier dönüşümü (DRIFT) spectra bu toprak örnekleri4analizi için yaygın bir yaklaşım olarak (MIR, 4.000-400 cm-1), orta-kızılötesi bölgede toplanan dağınık yansıma üzerinde duruluyor.

Bir maden zenginleştirilmiş başvuru spektrum elde etmek için SOM kaldırma iki örnek yöntemleri (i) yüksek sıcaklık yanma ('yakma') ve (ii) kimyasal oksidasyon, seyreltik sodyum hipoklorit (NaOCl) kullanarak vardır. Bu unutulmamalıdır ki bunlar kuralcı önerileri yerine yaygın istihdam SOM çıkarma yöntemleri örnekleri vardır. SOM kaldırma diğer yöntemleri azaltılmış mineral eserler sunabilir ve/veya gelişmiş kaldırma oranları (Örneğin, düşük sıcaklık renkte)14. Yüksek sıcaklık renkte olduğunu subtractions, başlangıçta OM zenginleştirilmiş örnekleri için performans (Örneğin, çözünmüş organik madde, çöp) toprak türetilmiş için mineral zenginleştirilmiş başvuru spectra elde etmek için kullanılan ilk yöntemlerden birini15, toprak toplu olarak uygulama tarafından takip 16 örnekleri17,18. SOM kaldırmak için kullanılan örnek kimyasal oksidasyon Anderson19tarafından açıklanan NaOCl oksidasyon yöntemini temel alır. Bu was orijinal gelişmiş-x-ışını kırınım (XRD) analiz önce toprak örnekleri içinde organik madde kaldırmak için bir ön olarak ve olası kimyasal ayırma SOM sabitleme20' ye, duyarlı olarak araştırıldı 21. hem yüksek sıcaklık kaldırma ve kimyasal oksidasyon NaOCl kullanarak toprak özgü eserler yol açmak ve SOM kaldırma14, bir yöntem seçerken dikkat edilmesi gerekenlerin spektral yorumu üzerinde kısıtlamalar bulunmaktadır 22.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Sigara tedavi DRIFT spektroskopisi ve SOM kaldırma için toprak hazırlama

  1. < 2 mm paslanmaz çelik kafes ('fine-dünya kesir') kullanarak toprağa elek.
    Not: Benzer doku ama toplam SOM içeriği (Tablo 1) yaklaşık 3 kat bir fark iki topraklar bu gösteri istihdam etmektedir.

2. SOM kaldırma kimyasal oksidasyon tarafından: NaOCl örneği

  1. % 6 w/v NaOCl pH 9,5 için pH 1 M HCl dropwise çözümü süre karıştırma ve pH metre ile ölçme ekleyerek ayarlayın.
    Not: Çoğu ticari açıcılar (Örneğin, Clorox) uygun kalite ve konsantrasyon (genellikle 3-%7 NaOCl v/v) ancak pH > 12 olacaktır. NaOCl oksidasyon organik madde pH bağımlıdır ve pH 9,5 toprak örnekleri19,23ile kullanımı için tavsiye edilir gibi çoğu ticari olarak mevcut açıcılar pH düzenleme yapmak mecburi olmuştur.
  2. 25 mL NaOCl (% 6 w/v, pH 9,5) 4 g toprak ile eklemek (elenmiş, Kuru hava) 50 mL konik tüp ve mix sonication tarafından (600 s, çıkış frekansı 20 kHz, güç 200 W).
  3. Bir sıcak su banyosu (15 dk, 80 ° C) oksidasyon hızı artırmak için karışımı kuluçkaya.
  4. Santrifüj bir açık süpernatant (Örneğin, 4.000 × g kaba dokulu topraklar için de 15 dk; oda sıcaklığında) elde etmek için. El ile süpernatant atık konteyner içine dikkatle boşaltmak.
    Not: NaOCl konsantrasyonu (konservatif yok oksidasyon ve böylece hiç tüketim NaOCl varsayarak) süpernatant içinde ev kullanımı için piyasada bulunan çamaşır suyu ile aynıdır. İnce dokulu topraklarda daha uzun aralıklarla zaman (Örneğin, ek bir 15-30 dakika kadar) açık süpernatant elde etmek için verilen santrifüj hızda (Örneğin, 4.000 × g) gerektirebilir.
  5. 2.3 ve 2.4 adımları iki kez toplamda üç oksidasyon adımları yineleyin.
  6. Son oksidasyon adımdan sonra toprak ve mix yatay shaker (120 rpm) kullanarak 5 min için 20 mL deiyonize H2O (dH2O) ekleyin. Santrifüj 4.000 × g ve oda sıcaklığında 15 dakika. Toplam üç tedaviler için yineleyin.
  7. Gerektiğinde, bir spatula ve dH2O fışkırmak şişe--dan hulâsa kullanarak ve bir plastik içine toprak Pelet santrifüj tüpü altından dışarı yıkama teknesi (veya yüksek yüzey alanı ile başka bir kapsayıcı) tartın. Fırın-kuru (60 ° C en yüksek, 48 h) air-dried bir duruma.
  8. Bir kez toprak örnek kurutulur, Toplam organik karbon içeriği tarafından yanma-gaz kromatografi C/N Çözümleyicisi24kullanarak ölçmek. SOM kaldırma organik karbon konsantrasyonu oksidasyon işlemden önce ve sonra arasındaki fark olarak hesaplar.
    Not: organik madde ve toprak yapısı kaybı nedeniyle, toprak özellikle düşük kum oranı ile topraklar için kabuklasma için eğilimli olacaktır. Hafif basınç uygulamak ve/veya kabuklu toprak yeniden homojenize taşlama el için gerekli olabilir. İnorganik karbon (Yani, hidrokarbonlar) ile toprak organik karbon yanma-gaz kromatografi25,26tarafından miktarının için ek adımlar gerektirir.

3. SOM kaldırma tarafından yüksek sıcaklık yanma

  1. Ölçü ~ 1-2 g toprak (elenmiş, Kuru hava) bir spatula kullanarak bir porselen pota içine.
  2. 3 h Muffe fırını kullanarak için 550 ° c ısı.
    Not: Bu SOM kaldırma yanma nispeten yüksek bir sıcaklıkta kullanarak bir örnek yöntemdir. Tartışma için alternatif prosedürler (Örneğin, sıcaklık) bakın.

4. DRIFT spektroskopisi

Not: Bu örnekte, Tablo reçetesi listelenen FTIR Spektrometre yazılımlar kullanılır.

  1. Spectra işlenmemiş toprak ve mineral zenginleştirilmiş referans örnek (SOM kaldırmak için tedavi) edinin.
    1. Toprak örnekleri hazırlayın.
      1. Örnekleri (isteğe bağlı) oranında seyreltin.
        1. Kullanım analitik sınıf KBr (veya diğer halide tuz) 105 ° C kurutulmuş ve kalan nem kaldırmak için desiccator içinde depolanır. Toprak örnekleri için < %1 saf bileşikler için aksine 1-%33 bir mesafeden etkili KBr dilutions elde edilebilir.
        2. Toprak ve KBr 100-400 mg son örnek boyutu için karıştırın. Örneğin, %3 seyreltme için eziyet yavaşça kuru örnek 12 mg ile KBr 60 mg 60 s bir akik harç ve havaneli ile. Sonra 'pas ' tam olarak örnek homojenize KBr 328 mg.
        3. Seri dilutions KBr ile yüksek son seyreltme oranı (% < 1) elde etmek için kullanın. Özellikle seyreltilmiş örnekleri 101-102 kullandığından tekrarlanabilirlik, daha az toprak temiz örnekleri daha emin olmak için Çoğalt dilutions gerçekleştirmeniz.
      2. Tedavi edilmemiş ve tedavi toprak örnekleri benzer tutarlılık için bileme ve eleme el tarafından (Örneğin, 60 # elek kullanarak 250 µm) eziyet.
        Not: el ile karşılaştırıldığında taşlama, daha fazla tutarlılık Otomasyon tarafından özellikle topu freze tarafından kolaylaştırılmıştır. Ancak, SOM kaldırma (Örneğin, 1-3 g için pilin Pota hacmi nedeniyle) şekilde kullanılan toprak nispeten az miktarda el taşlama daha pratik olabilir.
    2. Arka plan spektrum toplamak.
      1. KBr (toprak matris etkileri taklit etmek için toprak örnekleri (4.1.1.2 bakın) aynı şekilde zemin) bir örnek bir örnek Kupası veya plaka iyi içine yükleyin.
        Not: "Arka plan spektrum" maden zenginleştirilmiş başvuru spektrum farklıdır (bkz: 4.1.3) kullanılan subtractions gerçekleştirmek için. Arka plan spektrum spectra toprak örnekleri üzerinde toplanması sırasında atmosferik kaldırmak için yazılım ve diğer ortam absorbances tarafından kullanılır. Tüm yazılım açıklamaları için seçilen yazılım özgüdür ve diğer yazılım için adapte gerekir.
      2. Spektrometre odası CO2- ve H2O temizlendi hava (üzerinden bir tasfiye gaz jeneratör) veya N2 gaz toplama koşullarında daha fazla tutarlılık için temizlemek. Örneğin, ortam atmosfer altında spectra koleksiyonu nem ve değişiklikleri absorbans spectra neden olabilir CO2 küçük dalgalanmalar gerektirecektir.
        Not: Daha yeni Spektrometreler aynalar nem etkilerini azaltmak (Örneğin, altın, SIC) olabilir.
      3. Tarama numarası, wavenumber aralığı ve çözünürlük, spectra örnekleri toplamak için kullanılan da dahil olmak üzere aynı dedektörü ve satın alma parametre ayarları kullanarak bir arka plan spektrum toplamak.
        1. Deney için aþaðý açýlan menüsünü açın ve istediğiniz deneysel toplama yöntemi (Örneğin, satın alma modu) seçin.
          Not: seçilen Spektrometre kullanılarak bu örnekte (bkz. Tablo malzemeler), İS50 ana bölmeseçili yöntemidir.
        2. Spektral edinme parametreleri seçmek için Deneysel Kur simgesini tıklatın.
        3. Toplamak sekmesi altında inceden inceye gözden geçirmek ve çözünürlük sayısı Deneysel amaçlar için uygun olduğundan emin olun; Örneğin, bir ortak için DRIFT spectra temiz toprak, 4 cm-1 çözünürlük 128 taramalar ayardır. Değişiklikleri kaydetmek için Tamam ' ı tıklatın.
        4. Bir arka plan spektrum toplamak için Arka plan toplamak simgesini tıklatın. Kullanmak için arka plan spektrum (tedavi ve tedavi edilmezse) topraklar spectra koleksiyonu içinde kaydedin.
    3. Toprak örnekleri Spectra elde etmek.
      Not: arka plan ve örnek (işlenmemiş toprak, maden zenginleştirilmiş toprak) toplamak için aynı satın alma parametrelerini kullanın spectra. Satın alma zaman ve çözünürlük dedektörleri arasında farklılıklar toplama zamanı ve spektral kalite etkisi ticaret-off poz. Toprak spectra aralığı 128-512 taramaları için tipik tarama sayıları. Tarama sayısı azalmış ve çoğaltır toplam hedef tarama numarası almak için Ortalama olarak. Örneğin, iki analitik çoğaltır - aynı örnek içinde iki ayrı wells yüklü - 64 taramaları kullanarak toplanabilir ve toplam 128 inceden inceye gözden geçirmek için Ortalama olarak.
      1. Toprak örneği yükleyin. Tutarlı yükleme sağlamak ve yüzey pürüzlülüğü en aza indirmek için örnekleri örnek fincan içine dökün (ya da) biraz dudak veya kenar Kupası yavaşça noktasına. Sonra yüzey yumuşak toprak yüksekliğini örnek Kupası'nda da (Örneğin, jilet) düz bir kenar kullanarak Kupası toprakta Kupası dudak ile aynı hizada.
        Not: bir matris gibi toprakta yaygın yansıma modu ile kızılötesi ışık etkileşim nedeniyle DRIFT spectra örnek yükleme etkisi altına alabiliyor. Örnekleri yanından veya yoğunluk ambalaj absorbans etkileyebilir çünkü basınç için tabi. Örneklerin ince partikül büyüklüğü (bkz: 4.1.2.1) Perdah yüzeye daha kolay sağlar. Spektrometre model ve örnek yoğunluk bağlı olarak, örnek bir örnek fincan doldurmak için gerekli kütlesi 600 mg 300 aralığı olacaktır. Plaka wells söz konusu olduğunda, bu da iyi boyutuna bağlıdır. Kuyu daha fazla sayıda tabak daha küçük kuyu olacak ve bu nedenle daha az örnek gerektirir. 24-şey plaka 3.4 mL iyi bir biriminiz Örneğin, 96-şey plakaları yaygın olarak 360 µL iyi bir hacmi vardır.
      2. Tedavi edilmemiş ve tedavi toprak örnekleri Spectra toplamak. (Bkz: 4.1.2.3.4) arka plan spektrum daha önce toplanan ilk onay kullanılır. Deneysel yapısı' nı tıklatın. Toplamak sekmesi altında belirtilen arka plan dosyası kullan seçin ve arka plan spektrum dosyasını yükleyin. Değişiklikleri kaydetmek için Tamam ' ı tıklatın. Toprak üzerinde spektral koleksiyon başlamak için Toplamak örnek' ı tıklatın.
        Not: farklı şey veya örnek Kupası için matris dansitesi yüzey pürüzlülüğü ve değişkenlik tarafından üretilen saçılma eserler hesap Çoğalt spectra toplamak için aynı örnek yeniden yükleyin.
  2. Spektral subtractions gerçekleştirin.
    Not: İçin işlenmemiş toprak spektrumda karşılık gelen wavenumber, absorbances gelen absorbances mineral başvuru spektrumda düşülen derecesi çıkarma faktörü (SF) ağırlığındadır. SOM karakterize etmek için organik absorbances çözünürlüğe geliştirmeye odaklanmış subtractions için çoğu Spektrometre Sistemleri (Örneğin, 4000 kadar 650 veya 400 cm-1, dedektör bağlı olarak) tarafından tanınan MIR tamamını kullanmak için tavsiye edilir. Sonraki adımlarda SF belirlemek için deneysel bir yöntem açıklanmıştır. Tüm yazılım açıklamaları için seçilen yazılım özgüdür ve diğer yazılım için adapte gerekir.
    1. En aza indirmek veya hedef mineral doruklarına azaltmak için çıkarma faktörü (SF) değiştirmek için yazılım programının çıkarma seçeneğini kullanarak tepeler ve/veya mineral doruklarına dışarı, ve/veya doğrusal temel14en üst düzeye çıkarmak için sıfır.
    2. Aynı anda tedavi edilmezse ve tedavi toprak spectra seçin ve çıkarma simgesini (ekranın üst orta); seçilen ilk spektrum (işlenmemiş toprak) içinden ikinci spektrum (tedavi toprak) düşülen spektrum olacak.
    3. SF (ekranın sol) azaltmak veya artırmak için dikey geçiş bar veya okları kullanın. Önizlemede görüntülenen çıkarma spektrum değişiklikleri gözlemlemek.
      1. Temsilcisi sonuçlarıaçıklandığı gibi uygun bir SF belirlemek için yinelemeli bu özelliği kullanın. Sayısal SF değeri ortasında iki durumlu çubuğu görünür. SF aralığı değerlerini ayarlamak için Finer ve Coarser düğmelerini kullanın.
    4. Ekle (ekranın sağ üst) hesaplanan çıkarma spektrum bir pencereye yüklemek için tıklatın.
      Not: absorbances olmayan mineral çoğunluk beri çoğu (hepsi değilse de) toprak örnekleri, konsantrasyon ile doğrusal genellikle tüm mineral doruklarına kaldırmak için uygun değildir. Bu mineral doruklarına inversiyon için daha az eğilimli kabul önerilir (Örneğin, kuvars gibi Si-O 2.100-1,780 cm-1de)14 sıfır-out SF ayarlayarak için hedef zirve kullanılabilir.
    5. Nasıl çıkarma bağımsız hesaplama aynı çıkarma yelpazesinin işlenmemiş toprak spektrum üzerinden izin vermek için yeterli ayrıntı ile gerçekleştirilen kayıt ve rapor metodolojik ilgili ayrıntılar da dahil olmak üzere: çıkarma için kullanılan (1 wavenumber bölge (2). SF veya aralığı, hedef (mineral) en yüksek veya bölge için sıfır-ing SFs kullanılan ve (3).
      Not: Bir iyi bir çıkarma güvenilirliğini yeniden aynı kullanıcı tarafından ve/veya bağımsız olarak bildirilen çıkarma parametrelerini kullanarak başka bir kullanıcı tarafından gerçekleştirilen için testidir.
  3. Spectra yorumlamak.
    1. Spektral yorumu analiz ve sonuç çıkarma spectra, absorbances organik fonksiyonel grupların4belirli atamaları yorumlamak için kullanılabilen çeşitli kaynaklar kullanarak gerçekleştirin.
      Not: Diğer anlamları çıkarma spectra ürününün çok değişkenli analiz (Örneğin, asıl bileşen analizi), toprak analitler27ve hatta adli Parmakizi9chemometric tahmin içerir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

SOM kaldırma yöntemi yanı sıra teorik pratik çıkarma spectra yorumlayabilmek etkiler. Örneğin, yüksek sıcaklık pilin değişiklikler, kayıp ya da görünüş doruklarına ve/veya olarak olarak meydana gelen Maden değiştirdi veya mineral başvuru spektrum Peaks'e genişletti. Bu spektral eserler 1 600-900 cm-1, organik grup yorumu ödün22 , organik gruplarla örtüşme bölgelerde gerçekleşecek şekilde yatkındır. Genel değişiklikler bantları yüksek sıcaklık pilin (≥ 550 ° C) aşağıdaki Şekil 2 ' de belirgindir ve Oh kaybı vardır mineral 3.700 3.600 cm-1ve en yüksek kayıp doruklarına ve kafes Si-O ve Al-O tepeler 1,050-800 cm-1, vardiya. Öte yandan, SOM kaldırma kimyasal oksidasyon kullanarak mineral fonksiyonel grupların korumak eğilimi ve böylece riskler daha az eserler ( konuyabakın). Ancak, bu genellikle daha düşük SOM kaldırma28, kanıtladığı için örnek topraklar (Tablo 2) olarak bir maliyetle geliyor. Bu toplam SOM havuzu daha az organik fonksiyonel grup kompozisyon çıkarma spektrumda yorumlanması kısıtlar.

Kimyasal oxidations renkte çünkü onlar genellikle mineral yapısını korumak ve böylece başvuru spectra manipülasyonun absorbans özellikleri ve böylece sonuç çıkarma önlemek için mineral arka planlar Mobilya için cazip bir alternatif olabilir spektrum14,22. Örneğin, toprak toprak organik karbon (SOC) mineral absorbans özellikleri koruyarak pilin (Tablo 2) %97 oranla NaOCl oksidasyon tarafından kayıp bir % 89 pilin (Şekil 2) tarafından değiştirilmiş. Öte yandan, dikkatli çıkarma yorumlanması gerektiren5,29,30, NaOCl dayanıklı organik madde değil SOM olduðu anlamýna gelir eksik ve potansiyel olarak seçici kaldırılması ile karakterize spektrum14. SOM miktarının kaybı ile gerçekleştirilen her ek oksidasyon tedavi oksidatif tedaviler SOM kaldırma için en iyi sayısını tanımlamak için kullanılabilir. NaOCl kullanarak örnek oksidasyon metodu değerlendirilmesi gösterdi SOM kaldırma bakılmaksızın örnekleri SOM içeriği düşük olup olmadığını 3 oksidasyon adımları sonra monoton (< % 2 C) ya da yüksek (% C 36). Her ardışık oksidasyon adımla süpernatant rengini mor/siyah/turuncu çeşitli tonları için hafif kahverengimsi kırmızı çamaşır suyu özgün yeşilimsi sarı rengini kadar değiştirmek olasıdır (Yani, unreacted seyreltik NaOCl).

Azaltmak ve toprak partikül büyüklüğü homojenize taşlama büyük parçacıklar ve güçlü bileşenleri31emici inversiyon ışık saçılma azaltarak spektral kalitesi artabilir. 250-100 µm en büyük parçacık boyutunu böyle eserler32en aza indirmek için en iyi olarak kabul edilmiştir rağmen son değerlendirme 2000 µm taşlama mutlaka spektral kalitesini chemometric tahminler33için yükseltmek değil ki önermek, 34. Ancak, daha ince zemin toprak örnekleri hala gelişmiş (keskin) absorbans doruklarına yol açabilir ve spektral subtractions faydalanmak için beklenen absorbans değişkenlik33, sergi düşmüştür. Öte yandan, bazı çalışmalar (Örneğin, 200 µm için) taşlama parçacık boyutu dağıtımında daha fazla heterojenite Çift Eleme (Örneğin, 2.000 µm)35,36daha tetikleyebilir bulduk. Bu spektral kalite etkisi deneme hedefler üzerinde (Örneğin, absorbans bantları, C kesirler chemometric tahmin yorumlanması) bağlıdır ve özellikleri (Örneğin, doku, mineraloji)29toprak muhtemeldir. Bu etkileri çıkarma spectra boyutuna öğütme toprak ve hedefleri belirli bir kümesi için değerlendirilmek önerilir. Mineral başvuru spektrum için kullanılan tedavi toprak örneği SOM kaldırma tarafından karşılık gelen işlenmemiş toprak toplamları bozulma nedeniyle daha ince partikül boyutu olabilir.

Temiz (su katılmamış) toprak örnekleri DRIFT Spektroskopi analiz ve daha yüksek üretim hızı daha fazla kolaylığı nedeniyle kullanımı yaygın kullanılır. Numune dilüsyonu geleneksel olarak kızılötesi-görünmez halide tuzları (Örneğin, KBr, NaBr, KI) kullanarak yüksek saflıkta örnekleri için gerçekleştirilir. DRIFT spektroskopik karakterizasyonu topraklar organik bileşeni için ancak, halide tuz seyreltme daha az daha avantajlıdır. Seyreltme örneklerinin absorbances için baskın (mineral) bileşenleri ama mutlaka o küçük (organik) bileşenleri5,37temsil çözünürlüğü geliştirmek eğilimi olmasıdır. Yine de, her örnek5için ampirik olarak değerlendirilebilecek toprak örnekleri seyreltme için yararları olabilir.

Spektral subtractions gerçekleştirmek için çıkarma faktörü (SF) rolünü anlamak için başvuru (Şekil 3) olarak kullanarak bir spektrum okside NaOCl toprak için toprak çıkarma spectra elde düşünün. SF 0'dan 1'e arttıkça, mineraller için karşılık gelen gruplarından absorbans azaltmak, özellikle mineral yüzey O-H 3,618 cm-1 ve Si-O 1,880 ve 808 cm-1de. Aynı anda, alifatik C-H gibi organik fonksiyonel grupların temsil eden bantları için absorbans artar 2,920 cm-1 ve potansiyel olarak Amid C-N ve N-H ve/veya aromatik C = C 1,558 cm-1streç. SF ölçekleme artan ile ancak, 2100-1780 cm-1 de Si-O gibi mineral absorbances silinme ortaya çıkar. NaOCl oksidasyon %89 C % 2.2 bir toprakta toplam SOC (Tablo 1, 2) kaldırıldı ve verilen bu SOM %58 C38olduğu tahmin edilmektedir, 0,97 teorik bir SF hesaplanabilir. Ancak, non-lineer absorbans, mineral özellikleri bu SF (Şekil 3) kullanarak çıkarma üzerinde sonuç.

Daha pratik bir yaklaşım operasyonel bir mineral absorbans özelliğin kaldırılması üzerinde 'iptal' veya sıfır-ing bir hedef peak(s) dışarı tarafından uyarlanan SF belirlemektir. Çünkü onlar daha az duyarlı speküler yansıma14,37olan temel Si-O titreşimler ortaya kuvars gibi Si-O 2100-1780 cm-1 de uygun hedef mineral absorbances bulunuyor. Örneğin, Şekil 3, sıfır-ing kuvars Si-O'öneriyor 2.100 - 1.780 cm-1 bir SF bir temanın SF 0.97, daha baskın mineral absorbances azaltma için daha uygun olarak 0,8 0,7 - aralığı içinde hesaplanan farkı üzerinden (yani, SOM kaldırıldı) iki toprak örnekleri arasında kitle.

Her ikisi de 'bir baş aşağı tepe ya da "W" şekil14benzer negatif tepeler' tarafından veya güçlü çıkarma, işlenmemiş toprak spektrum ayna görüntüsünü durumunda kanıtladığı, bir SF seçiminde olası tehlikelere inversiyon ve oversubtraction içerir. Silinme ondan beri bunlar 1150-800 cm-1Si-O için ortak olan, ama en aza indirilebilir tamamen önlemek mümkün olmayabilir. Silinme belirtmek için spektral yorumu22,39 bölge istenmeyen olarak çünkü bu bölgelerde nasıl çıkarma gerçekleştirildi absorbans yansıtabilir daha çok bileşenleri, özellikle küçük emici daha bileşenlerinin OM gibi

Spektral yazılım modern FTIR Spektrometreler eşlik eden rehberlik ve subtractions çalıştırmak yararlı olabilir. Böyle bir yazılım yardımcı programı elde edilen çıkarma spektrum görüntülerken SFs gerçek zamanlı ve yinelemeli ayarlama yatıyor. Ancak, yazılım ölçüt deney gol ve örnekleri topraklar (Örneğin, doğrusal olmayan absorbans, inversiyon mineral özellikleri) gibi uygun olmayabilir çünkü SF spektral yazılım tarafından önerilen varsayılan dikkatli düşünülmelidir. Örneğin, Şekil 3 ' te çıkarma spectra hesaplamak için kullanılan belirli bir yazılımın ( tablo malzemelerinbakın) 1,45, SF önerdi hangi özlüyor sonuç çıkarma spektrum içerisinde40, temellerin doğrusallaştırma temel amacı, sıfır-ing 1.800-1000 cm-1, organik absorbances yorumlanması için 2100-1780 cm-1 de Si-O dışarı. Yazılım tarafından önerilen SF bir çıkarma tanımlanmış spektral bölge için belgili tanımlık bilgisayar yazılımı en iyi duruma getirir çünkü çıkarma için seçilen wavenumber aralığı tarafından da etkilenir unutmamak gerekir. Ek yazılım subtractions gerçekleştirmeden önce spektral kalite (Örneğin, doğrusal taban) geliştirmek için (Örneğin, Kubelka-Munk, güç fonksiyonları) spektral işleme dönüşümleri yararları.

Mineral başvuru spektrum gerçekleştirmek ve spektral subtractions yorumlama sonuçları ile SOM kaldırma yöntemi etkisinde absorbans özellikler içeriyor olabilir. Tedavi edilmemiş ve ashed mineral referans spectra (Şekil 2) arasındaki farklar karşılaştırılması SOM kaldırma eserler nedeniyle olabilir hangi bu özelliklerin belirlemenize yardımcı olabilir. NaOCl oksidasyon aksine, değişiklikleri mineral fonksiyonel gruplar, özellikle phyllosilicate yüzey ve interlayer O-H (3,700 3.600 cm-1), Al-OH (915 cm-1) ve Si-O (796, 521 cm-1) temsil eden absorbans bantlarında renkte üretilen . Kuvars gibi Si-O bantları (2100-1,780, 1.159 cm-1) işaretli değişiklikleri absorbans (yoğunluk veya wavenumber) ya da tedavi için sergi değil.

Aşırı çıkarma örneği ve tanımlanamayan eserler SOM kaldırma yönteminin seçimi kaynaklanan riski için 550 ° c Şekil4 renkte gösterilmiştir. Sıfır-ing kuvars gibi Si-O 2.100-1,780 cm-1 de dışarı 0,76 bir SF ile elde edilir rağmen öneriyor önemli bir W şeklinde inversiyon 1100-450 cm-1 de çıkarma spektrum yorumlanması > 1200 cm-1için sınırlı olmalıdır. Referans olarak spektrum yüksek sıcaklık yakma, yüzey OH 3.700 3.600 cm-1 , (bkz: Şekil 2) keskin bu tepeler bir hedef sıfır olmamalıdır bir obje demektir mineral kaybı tarafından elde edildi. Bunu yapmak için girişimleri büyük olasılıkla diğer spektral bölgelerin tehlikeye sokacaktır. Bir obje azaltmak için SF artırmak için Kullanıcı motive gibi örneğin, 3700-3600 cm-1 şekil tanıma değildir (SF 1,24 =) veya sıfır out girişimi (SF = 1,51) kalan spektral bölgelerin aşırı çıkarılarak pahasına bu artifakı Organik absorbances 1800-1200 cm-1 (Şekil 4) de dahil olmak üzere.

Mineral başvuru spektrum gibi belirli bir grup diğer spektral bölgelerin (Şekil 5) üzerindeki etkileri dikkate almadan geliştirmek için bir girişim aşırı çıkarmak mümkündür. Bu deneysel hedefleri ( konuyabakın) tarafından haklı iken, 3000-2800 cm-1 , alifatik C-H stretch 'pahasına' geliştirme Şekil 5 örnekte spectra kalan kısmı uninterpretable işler, Organik fonksiyonel grupların SOM karakterizasyonu, 1800-1000 cm-1ile ilgili çoğunluğu karşılık gelen bölge dahil olmak üzere. İnversiyon eğilimli Si-O dışında spektral Özellikler derinleşen inversiyon aşırı çıkarma bir göstergesidir şeritler halinde SF 1.72 1.35 0,81 artar. Diğer taraftan, bu hedef mineral gruplarından tamamlanmamış kaldırılmasına SF olasılığı anlamına gelir çıkarma için delil olarak yetersiz 0,32 bir SF ile gerçekleştirilen. Bir SF 0,81 ideal sıfır-çıkışları hedef Si-O dışarı özellikleri 2.100-1,780 cm-1 silinme en aza indirerek.

Yüksek sıcaklık renkte ve kimyasal oksidasyon tarafından elde edilen referans spectra hesaplanan çıkarma spectra karşılaştırılması belirtmek çıkarma, 1750-1350 cm-1 organik fonksiyonel gruplar için ascribable tarafından geliştirilmiş ortak özellikleri, aynı zamanda farklılıklar nedeniyle değişiklik minerallerin sergi ve potansiyel olarak SOM miktar (Şekil 6) kaldırıldı. Benzer bir SF pilin tarafından elde edilen mineral başvuru kullanarak subtractions için elde edildi Not (SF = 0,76, Şekil 4) NaOCl oksidasyona karşı (SF = 0.81, Şekil 5). SOM kaldırma belirli bir yöntem için görsel olarak daha az görünür veya yok olan yüksek ve düşük organik madde toprak çıkarma spectra arasında belirgin farklar, alifatik C-H (stretch) karşılık gelen işlenmemiş toprak spectra (Şekil 6), içinde 2916 cm-1ve keton ve Amid C = O konjuge C = C 1647 cm-1, amid C-N ve N-H olası katkıları 1,568 cm-1, alifatik C-H (viraj) 1,427 cm-1ve fenol ve/veya karboksil C-O yönü ile 1,275 cm-1de. Çıkarma spectra göreli değişiklikleri kesinlikle örnek türü ve absorbans aralığı bağlı olarak değişen organik fonksiyonel grupların atanabilir absorbances değerlendirmek için bir çalışma yöntemi olarak anlaşılması önemlidir (nedeniyle potansiyel olarak Grup örtüşen)4.

Figure 1
Şekil 1. SOM kaldırma kimyasal oksidasyon (NaOCl) tarafından takip aynı toprak bir arka plan spektrumu kullanılarak organik bantları geliştirmek için spektral çıkarma Illustration. DRIFT spectra toprak örneği KBr seyreltme toplanmıştır. California Sacramento Vadisi (22 mg C g-1 toprak) tarımsal kullanım altında Mollic bir Xerofluvent topraktır. Çıkarma spectra 1.0 bir çıkarma faktörü ile hesaplanır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 2
Şekil 2. Karşılaştırma spektral subtractions gerçekleştirmek için mineral zenginleştirilmiş arka plan veya başvuru spectra ürününün farklı SOM çıkarma yöntemleri tarafından elde. Tedavi ve tedavi edilmezse topraklar karşılaştırmalar için Mollic California, ABD (22 mg C g-1) karışık alüvyon oluşan Xerofluvent bir yüzey ufku (Ap) gösterilir. Spectra karşılık gelen orijinal toprak tedavi (üst), olmadan için kimyasal oksidasyon (NaOCl) (orta) ve yüksek sıcaklık yanma (550 ° C) (alt) SOM kaldırma tedaviler takip toprak tarafından takip. DRIFT spectra KBr seyreltme olmadan toprak örnekleri üzerinde toplanmıştır. Gri kutular mineral absorbans bantları karakteristik 3620 cm-1, 1870 cm-1 ve 800 cm-1merkezli toprak spectra ürününün vurgulayın. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 3
Şekil 3. Örnek çıkarma faktörü (SF) 0,1 aralıklarla 0.1 (en az çıkarma) 1.0 (orijinal toprak spektrum ve başvuru spektrum eşit çıkarma) artan. SF için özgün (işlenmemiş) toprak spektrum (a toprak) başvuru spektrum (toprak A Isıtma sonra 3 h için 550 ° C'de) çıkarılır derecesi weights. Çıkarma faktörü azaldıkça, mineraller için karşılık gelen absorbans bantları artırın (3,618 cm-1, 1,880 cm-1, 808 cm-1) ve (2,920 cm-1, 1,558 cm-1, 1,240 cm-1 organik temsil eden bantları azaltın ). DRIFT spectra KBr seyreltme olmadan toprak örnekleri üzerinde toplanmıştır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 4
Şekil 4. Aşırı çıkarma ve tanımlanamayan eserler SOM kaldırma yöntemi (pilin 550 ° c) kaynaklanan risk örnekleri. Sıfır-ing kuvars gibi Si-O 2.100-1,780 cm-1 (gri kutu), dışarı ile bile (SF = 0,76), 1100-450 cm-1 (oklar) adlı tanınmış bir W şeklinde inversiyon çıkarma spektrum yorumlanması için sınırlı olmalıdır öneriyor > 1200 cm-1. Başvuru spektrum yüksek sıcaklık pilin (550 ° C) tarafından elde edildi, 3.700-3600 cm-1 (gri kutu), mineral yüzey OH kaybı (bkz. Şekil 2) Bu zirve bir olasılığı olduğunu gösterir bir obje. Bir obje azaltmak için SF artırmak için kullanıcı yanıltmak gibi özellik 3.700 3.600 cm-1 de tanıma değildir (SF 1,24 =) veya sıfır out (SF = 1,51) organik dahil olmak üzere kalan spektral bölgelerin oversubtracting pahasına bu spektral özelliği 1800-1200 cm-1de absorbances. Pilin ek yapılardan 2300 cm-1 (ok) adlı bir özellik içerir. DRIFT spectra KBr seyreltme olmadan toprak örnekleri üzerinde toplanmıştır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 5
Şekil 5. İdeal ve ideal olmayan çıkarma spectra bir mineral başvurusunu kullanma örnekleri elde tarafından NaOCl oksidasyon. Yetersiz çıkarma (düşük SF = 0,32) önemli mineral absorbances (gri kutular) hala mevcut olduğu anlamına gelir. Kuvars gibi SiO 2.100-1,780 cm-1 de dışarı sıfıra SF artan (SF = 0.81) Bu mineral absorbans silinme Si-o en aza indirgemek için bir proxy 1.800-1000 cm-1de mineral örtüşme kaldırma kriterleri arasında dengeyi < 1.100 cm -1ve doğrusal bir temel koruma. Bir girişim daha alifatik C-H-germek 3000 2800 cm-1de geliştirmek için SF (1.35 veya 1.72) artırılabilir, ancak bu derecelerde oversubtraction içinde sonuçlanır. Spectra temiz (KBr seyreltme) örnekleri üzerinde DRIFT spektroskopisi tarafından toplanmıştır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 6
Şekil 6. DRIFT spectra yüksek (üst) ve düşük (alt) organik madde topraklar organik absorbances orijinal toprak spectra göre yorumlanması geliştirmek için spektral subtractions potansiyelini vitrine karşılaştırılması eşleştirilmiş. Absorbances mineral (gri kutu) ve organik (kesik çizgi) absorbans bantları için karşılık gelen farklılıkları yüksek ve düşük SOM topraklar arasında ve/veya spectra üç grup arasındaki belirgin: orijinal (işlenmemiş) topraklar spectra ve elde edilen spectra Termal yanma ('yakma') veya kimyasal oksidasyon tarafından elde edilen mineral başvuru spektrum için mineral zenginleştirilmiş toprak kullanılarak işlenmemiş toprak spektrum mineral başvuru çıkarılarak. Yüksek ve düşük SOM örnekleri farklı organik absorbances alifatik C-H (2,916 cm-1), keton ve/veya Amid C = O konjuge C = C (1647 cm-1), amid C-N ve N-H ve/veya olası aromatik C = C (olası katkıları ile atfedilen 1,568 cm-1), alifatik C-H (1,427 cm-1) ve karboksil ve/veya fenol C-O (1,275 cm-1). Toprak Sacramento Vadisi (California, ABD) karışık alüvyon oluşmuştur Entisols Ap ufku gelmektedir. Spectra temiz (KBr seyreltme) örnekleri üzerinde toplanmıştır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Toprak SOM
içerik		 SOC
(mg g-1)		 C:N pH
(1:2, su)		 kil
(mg g-1)		 kum
(mg g-1)
A Yüksek 22 9,4 6.5 166 133
B Düşük 7 9,3 6,7 126 451
SOC, toprak organik karbon; C:N, karbon azot oranı

Tablo 1. DRIFT spektroskopi kullanarak SOM karakterizasyonu geliştirmek spektral çıkarma yöntemleri göstermek için kullanılan toprak özelliklerini. Toprak benzer mineraloji olmakla birlikte organik madde konsantrasyonu farklılıkları sergilemek. Toprak Sacramento Vadisi, Kaliforniya, ABD karışık alüvyon oluşan Entisols Ap ufku örneklemeyi.

Toprak OM
içerik		 SOC
(mg g-1)		 SOC kaybı (%)
NaOCl-öküz ashed
(500 ° C)
A Yüksek 22 -89.1 -96.5
B Düşük 7 -82.5 -97.2
SOC, toprak organik karbon; NaOCl-ox, sodyum hipoklorit okside

Tablo 2. SOM kaldırma oranları yanma karşı kimyasal oksidasyon ile değişen örnek. Organik madde kaldırmak için tedavi toprak örnekleri SOM fonksiyonel grup kompozisyon DRIFT spektroskopi kullanarak karakterizasyonu geliştirmek için spektral subtractions gerçekleştirmek için bir başvuru maden zenginleştirilmiş spektrum elde etmek için kullanılır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

SOM kaldırma yöntemi iki konuları taşır: 1) SOM miktarını kaldırıldı ve elde edilen mineral aktarımında 2) absorbans başvuru spektrum. Neyse ki mümkündür — ve tartışmalı gerekli — tanımlamak için ve miktar bunlar sorunları SOM kompozisyon sonuç çıkarma spektrum üzerinden önyargılı Yorumları önlemek için. İdeal olarak, spektral subtractions 'saf' som bir spektrum vermeye salt mineral başvuru spektrum almazdı Gerçekte, sonuç çıkarma spektrum Gelişmiş orijinal (işlenmemiş) toprak spektrum göre olan SOM için karşılık gelen absorbances sergiler. Bunun nedeni tüm mineral absorbances tam çıkarma toprak örnekleri mineral bileşenlerinin doğrusal olmayan absorbans engeller. Manipülasyonun mineral absorbances ve/veya eksik SOM kaldırılması belirli absorbans özellikleri yorumlanması veya toplam SOM havuzu, yorumlanması sırasıyla sınırlayın.

Burada gösterilen örneklerle kanıtlandığı mineral başvuru spectra (termal yanma veya yakma ve kimyasal oksidasyon) elde etmek için SOM kaldırmak için iki yaygın yöntem SOM kaldırma derecesini ve spektral eserler arasında bir denge doğurmak eğilimindedir. Bunlar çıkarma spectra yorumlanması için farklı sonuçlar doğurabilir. Kayıp ateşleme (LOI) yöntemi olarak SOM içerik tahmin etmek için kullanılan olduğunu aynı sebepten yüksek sıcaklık pilin (≥ 350 ° C) neredeyse tüm SOM kaldırır ancak kristal mineral yapıları değiştirebilir ve böylece değişiklikleri mineral absorbans bantlarında üretmek olasılığı yüksektir. Mineraller önce ve sonra pilin spektral katkılarıyla farklı ise aşağıda gösterildiği gibi bunlar eserler çıkarma spektrumda olarak tezahür edecektir. Mineral, maden özgü olabilen termal duyarlılığını spektral subtractions renkte, özellikle yüksek sıcaklıklarda (Örneğin, 550 ° C) tarafından elde edilen referans spectra ile hesaplanan yardımcı programı üzerinde bir uzlaşma zorlar. Mineral değişiklikler mineral tip ve renkte sýcaklýðýna belirli dehydroxylation, interlayer çöküşü ve dehidratasyon41,42,43içerir ve çeşitli mineraloji topraklar spectra içinde belgelenen 10 , 28 , 44 , 45.

Toprak örneği mineraloji hakkında bilgi önceden önler veya mineral değişiklik (Örneğin, kaolinite veya üzerinde 350 ° C interlayer çöküşü) en aza indirir bir renkte sıcaklığı belirlemek için kullanılabilir. Mineral yapıları tespit ve yakma sıcaklıkları değişen ve işlenmemiş toprak ve saf mineral standartları10,46spectra ile elde edilen spectra karşılaştırma için toprak örneği subjecting tarafından beklenen. Bir de pilin sürekli toprak örnekleri arasında neden çıkarma yapıları korumak için örnek küme mineraloji kısıtlamak. Son olarak, düşük pilin sıcaklıklar (Örneğin, 350 ° C) bazı organik bantları10,47geliştirmek için kullanılabilir. Benzer kimyasal oxidations, düşük sıcaklıklarda kullanımı genellikle daha düşük28 (Tablo 2) ve potansiyel olarak seçici10 SOM kaldırma bir maliyetle geliyor.

Kimyasal oxidations genel olarak daha az mineral değiştirme, özellikle phyllosilicates için neden olasılığı vardır ama diğer mineral kesirler demir (hydr) oksit gibi bazı etkileri olur. Biliniyorsa, toprak örnekleri mineraloji bir oksidan seçerken dikkate alınmalıdır. Örneğin, sodyum hipoklorit SOM nispeten yüksek miktarda ile en az veya hiçbir dağılması aksine diğer oksitleyici ajanlar (Örneğin, hidrojen peroksit)48,49,50 mineral oksitler kaldırabilirsiniz , 51. bu efektleri mineraloji ve/veya SOM üzerinde bağlıdır beklenir (Örneğin, yüksek oranda mineral bağlı organik madde olabilir bazı ama değil diğer oxidations daha dayanıklı).

Neden sıfır-ing hedef mineral bantları dışarı yazılım hesaplanan güvenerek veya bir temanın SFs daha daha iyi bir strateji olduğunu sebebi bunlar hedef mineral bantları değil tamamen kaldırılırsa ayarlanması gerekebilir. Bu toprak örnekleri konsantrasyonlarda yüksek phyllosilicate ve bu nedenle doğrusal olmayan absorbans spectra (Örneğin, Si-O streç, 1100-950 cm-1)22, analiz özellikle yaygın bir uygulama için nedeniyle mineral bantları için yaygın olarak temiz örnekleri (hiçbir halide tuz seyreltme), SF düzeltilmesi deneysel hedeflerine göre mineral gruplarından en aza indirmek için keşfedilmeyi.

Spektral subtractions bölgelerde organik absorbances üst üste gelen mineral absorbances ile interpretability geliştirerek SOM oluşturan organik fonksiyonel grupların yorumlamak için kullanılmak üzere toprak spectra ürününün belirgin bir iyileşme yeteneği sunar. Hatta organik bantları spektral subtractions nispeten maden ücretsiz olması rağmen yararlanabilir. Örneğin, alifatik C-H stretch 3000 2800 cm-1 de az mineral şaşırmış organik grupta toprak spectra22olarak kabul edilir, ancak çözünürlüğü spektral subtractions52ile hala belirgin geliştirilebilir. Böyle karmaşıklık SOM, doğal bir özniteliği olduğundan SOM yöntemi veya modifikasyonları (Örneğin, subtractions) sınırlama ile conflated değil gibi kimyasal olarak karmaşık örneği FTIR spectra yoruma meydan okuyor hangi Ayrıca diğer spektroskopik yaklaşımlar (Örneğin, nükleer manyetik rezonans spektroskopisi)1,5meydan okuyor.

Spektral subtractions benzersiz bir strateji Adres kısıtlamaları için spektroskopik analizini SOM doğal mineral egemenlik toprak örnekleri ve güçlü tamamlayıcılık için diğer yöntemleri kendi farklı sınırlamalar5kaynaklanan sunuyoruz, 14. Örneğin, FTIR spektroskopisi analizi SOM artırmak için bir ayrı topraklar hidroflorik asit (HF) mineral bileşen çoğunluğu kaldırmak için ön arıtma yaklaşımdır. Toprak örnekleri demineralizasyon NMR spektroskopik analiz için rutin olduğu için aynı topraklarda HF-tedavi genellikle de FTIR spektroskopisi tarafından incelenir. Ancak, demineralizasyon HF ile yararını bir tek başına yaklaşım53,54olarak uzlaşma önemli zararlar SOM, doğurmak. Örneğin, neredeyse üçte biri toprak A SOM (Tablo 1 ve 2) HF tedavi5sırasında kaldırıldı.

Toprak analizi için subtractions yardımcı programı tam bir çıkarma tüm mineral absorbances55engel oluşturan yerine belirli bir wavenumber(s) ilgi olası organik bantları geliştirmek için olduğuna dikkat etmek önemlidir, 56,57,58. Bu nedenle, subtractions daha fazla veya daha az belirli spektral bölgeler için uygun olmayabilir. Nguyen vd. 4 subtractions, 1800-1,600 cm-1doğru subtractions bile yapılardan ile olası bir spektral bölge olarak Reeves III22 tanısı, organik bantları geliştirmek en yararlı olma olasılığı tanınan yüksek sıcaklık pilin tarafından elde edilen spectra başvuru. Bu bölgedeki mineral Si-O absorbances doğru bir şekilde diğer bölgeler (Örneğin, 1000-400 cm-1) doğrusal olmayan absorbans ve silinme 1,050-980 cm-1 37 Si-O gibi mineral gruplarından nedeniyle aksine çıkarma. ,59.

Bir potansiyel olarak verimli yapılacak çalışmalar sistematik olarak adres toprak özelliklerine örnek özgü eserler SOM kaldırma yöntemi tarafından tanıtılan gerektirecektir bekleniyor alandır. Çevre veya tam SOM kaldırma vardır bir mineral başvuru spektrumu alma zorluğu spektral subtractions için ana mücadeledir henüz çok az veya hiç yapılardan SOM kaldırma. Yüksek sıcaklık renkte ve kimyasal oksidasyon geçerli yöntemler bu iki hedefleri arasında bir denge doğurmak. Mineraloji özgü eserler FTIR spectra algılanabilir bir SOM aralığı arasında tanımlayan kaldırma koşulları ve toprak türleri, aynı zamanda saf mineral standartları, toprak özel öneriler22kurulması yönünde bir ilk adım olacaktır. Alternatif SOM çıkarma yöntemleri henüz sistematik olarak araştırılması gerekir. Temizleme yöntemleri içerir (genellikle düşük basınç altında yapılır) düşük sıcaklık pilin umut verici ve kimyasal oxidations, hidrojen peroksit ve sodyum peroxodisulphate14.

HF kullanarak demineralize topraklar Spectra çeşitli yöntemlerle elde edilen çıkarma spectra karşılaştırmak için kullanılabilir. HF dağıtılması ve SOM zenginleştirilmiş bir örnek oluşturan çoğunluğu toprak örnekleri, mineral bileşeni kaldırmak için kullanılabilir. HF-tedavi toprak örneği spektrum teorik olarak HF demineralizasyon çıkarma karşı elde edilen SOM spectra karşılaştırma SOM, tam kaldırma tarafından elde edilen mineral başvuru spektrumu kullanılarak aynı toprak çıkarma yelpazede benzer olmalıdır beri çapraz doğrulamak absorbans bantları, eserler tanımlamak ve çıkarma yapıları inversiyon (< 1200 cm-1) üzerinden eğilimli bölgelerde özellikle spektral atamaları5, güven artırmak için kullanılabilir. HF-tedavi topraklar spectra SOM, hangi-meli değil spektral subtractions farklı olarak, sadece operasyonel bir karşılaştırma bir 'objektif' spektrum sunmayabilir ancak, mineral ve organik bileşenleri eksik ve/veya seçmeli kaldırılması HF tedavisi sırasında anlamına gelir potansiyel eserler ışığında dikkatle incelenmesi.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa gerek yok.

Acknowledgments

Dr. Randy Southard rehberliğinde NaOCl oksidasyon ve spektral subtractions Dr Fungai F.N.D. Mukome ile çeşitli tartışmalar için teşekkür ederiz.

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

Çevre Bilimleri sayı 143 toprak toprak organik madde (SOM) Fourier transform Infrared (FTIR) spektroskopisi diffüz yansıma kızılötesi Fourier dönüşümü (DRIFT) oksidasyon sodyum hipoklorit (NaOCl) spektral çıkarma fonksiyonel grup
Spektral Subtractions ile toprak organik madde karakterizasyonu kızılötesi spektroskopi iyileştirilmesi
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