שיפור ספקטרוסקופית אינפרא אדום אפיון של חומר אורגני בקרקע עם המתחוללות ספקטרלי

Environment

GE Global Research must subscribe to JoVE's Environment section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Summary

סום ביסוד אדמה פונקציות ותהליכים רבים, אבל את האפיון שלה על ידי FTIR ספקטרוסקופיה לעיתים קרובות תיגר הפרעות מינרלי. השיטה המתוארת יכול להגדיל את התועלת של ניתוח סום מאת FTIR ספקטרוסקופיה על-ידי חיסור ספקטרה הפניה מינרלים מינרלים הפרעות בספקטרה קרקע באמצעות מדעית שהושג.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

חומר אורגני בקרקע (סום) ביסוד אדמה תהליכי ופונקציות רבות. (FTIR) ספקטרוסקופיית פורייה מזהה חוב אורגני אינפרא אדום-פעיל המהווים את הרכיב האורגני של קרקעות. עם זאת, התוכן חומר אורגני נמוכה יחסית של קרקעות (בדרך כלל < 5% על ידי המוני) ואת ספיגת החפיפה של קבוצות פונקציונליות אורגניים ומינרליים באזור (מיר) אמצע אינפרא-אדום (4,000-400 ס מ-1) יוצר הפרעה משמעותית על ידי דומיננטי absorbances מינרליים, מאתגר או אפילו למנוע פרשנות של ספקטרה על אפיון סום. המתחוללות ספקטרלי, טיפול פוסט-הוק מתמטי של ספקטרה, יכול להפחית הפרעות מינרלים ולשפר את הרזולוציה של אזורים ספקטרלי התואם קבוצות פונקציונליות אורגני על ידי הסרת מתמטית absorbances מינרלים. פעולה זו דורשת קשת ההתייחסות מינרלים מועשר, אשר יכול להיות מדעית השיג עבור דגימת אדמה נתון על-ידי הסרת משתמשת הקשת הפניה מינרלים מועשר יופחת מקשת (מטופל) המקורי דגימת האדמה כדי לייצר קשת המייצג סום absorbances. שיטות להסרת סום נפוצים כוללים בעירה בטמפרטורות גבוהות ('ashing'), חמצון כימי. בחירה של שיטת הסרת סום נושאת שני שיקולים: (1) הסכום של SOM הוסר, וההתייחסות ספיגת (2) ממצאים של המינרל ספקטרום ובכך הספקטרום החיסור המתקבלת. בעיות פוטנציאליות אלה יכול, צריך להיות מזוהה ואת לכמת על מנת למנוע פרשנויות מסולף או מוטים spectra עבור הרכב קבוצה פונקציונלית אורגני משתמשת בעקבות הסרת סום, המדגם מועשרת מינרל שנוצר משמש לאיסוף קשת ההתייחסות מינרלי. מספר אסטרטגיות קיימות כדי לבצע המתחוללות בהתאם מטרות הניסוי ואת מאפייני המדגם, ובראשם קביעת הגורם חיסור. הקשת החיסור המתקבלת מחייב פרשנות זהירה בהתבסס על המתודולוגיה הנ. עבור קרקע רבים ודוגמאות אחרות סביבתיים המכיל רכיבים מינרליים משמעותי, המתחוללות יש פוטנציאל חזק כדי לשפר את אפיון הרכב חומר אורגני ספקטרוסקופיות FTIR

Introduction

חומר אורגני בקרקע (סום) הוא נתין קטין על ידי המוני רוב דגימות קרקע אבל הוא מעורב מאפיינים מרובים ומעבד פונקציות קרקע המשמשת כבסיס, כגון מזין רכיבה על אופניים, פחמן פחמיות1. אפיון ההרכב של SOM הוא אחד מספר גישות כדי לקשר צורה סום והמסירה עם שלה תפקידים אדמה פונקציות2,3. אחת השיטות של אפיון הרכב סום היא (FTIR) ספקטרוסקופיית פורייה, אשר מציע גילוי של קבוצות פונקציונליות המהווים חומר אורגני קרקעות, דגימות סביבתיים אחרים (למשל, carboxyl C-O, C-H אליפטיות) 4. עם זאת, השירות של ספקטרוסקופיה FTIR חושפניים סום קבוצה פונקציונלית הרכב קוראים תיגר על-ידי רכיב מינרל הדומיננטי עבור רוב קרקעות (בדרך כלל > 95% מסה) עקב absorbances אורגניים חזק זה אתגר או קשה להגביל זיהוי ופענוח של absorbances אורגניים.

המתחוללות ספקטרלי מציעים דרך לשפר בעזרת FTIR אפיון ספקטרוסקופיות של חומר אורגני דגימות קרקע. הפחתה absorbances מינרלים מהספקטרום אדמה יכול לשמש כדי לשפר את absorbances של קבוצות פונקציונליות אורגני עניין בהניתוח של הרכב סום

(איור 1).

יתרונות המתחוללות ספקטרלי על ספקטרוסקופיה FTIR רגיל (כלומר, אדמת ספקטרה) כוללים:

(i) שיפור הרזולוציה ופרשנות של להקות ספיגת אורגני לעומת ספקטרום אדמה רגילה. על פי פרשנות של להקות אורגני ב ספקטרה אדמה יכול להתבצע על ידי בהנחה כי ההבדלים היחסי ספיגת נובעים הבדלים אורגני קבוצות פונקציונליות, זה מגביל השוואות כדי דגימות עם אותו מינרלוגיה, סום גבוה יחסית תוכן, עשוי להיות פחות רגיש לשינויים אורגניים להקות, אפילו אלה נחשב להיות נטולי מינרליים יחסית (למשל אליפטיות מתיחה C-H)5

(ii) ניתוח של קרקעות מעבר דוגמאות סום גבוהה או תמציות מועשרת חומר אורגני או שברים

(iii) סימון שינויים המושרה על ידי טיפולים ניסיוניים מ mesocosm לשדה מאזני6

יישומים נוספים של המתחוללות ספקטרלי בניתוח FTIR של SOM כוללים משלימים אפיוני מבנית ומולקולרית (למשל, ספקטרוסקופיה NMR, ספקטרומטר מסה)5,7, המזהה ההרכב של SOM הוסר על-ידי מיצוי או הרסני fractionation8, קומפוזיציה סום טביעות אצבע למז פ9. שיטה זו ישימה על מגוון רחב של תערובות מינרליים אורגניים מעבר בנוטריינטים, כולל המשקע10, כבול11ו12,פחם13.

הפוטנציאל של המתחוללות ספקטרלי לשיפור אפיון ספקטרוסקופיות FTIR סום הוכח באמצעות דוגמאות של חומר אורגני להסרת כדי להשיג הפניה מינרלים ספקטרה, וההתייחסות ואז, באמצעות מינרלים אלה ספקטרה, ביצוע, הערכת המתחוללות ספקטרלי אידיאלי, לא אידאליות. הפגנה זו מתמקדת ' מאטום לשקוף ' השתקפות ספקטרה (סחיפה) שנאספו באזור אמצע אינפרא-אדום (MIR, 4,000-400 ס מ-1), כמו זה גישה נפוצה לניתוח של דגימות קרקע4טרנספורם פורייה אינפרא-אדום.

דוגמה שתי השיטות להסרת סום להשגת ספקטרום הפניה מינרלים מועשר (i) טמפרטורה גבוהה בעירה ('ashing') הינם חמצון כימי (ii), באמצעות שתדללו נתרן תת-כלורי (NaOCl). יצוין, כי אלו הן דוגמאות של שיטות להסרת סום הנפוצות, יותר מאשר המלצות תיאורית. שיטות אחרות של הסרת סום עשויים להציע חפצים מינרלים מופחתת ו/או משופרת להסרת המחירים (למשל, אבדה ערפדה בטמפרטורה נמוכה)14. טמפרטורה גבוהה אבדה ערפדה היה אחד שיטות הראשונה כדי לקבל הפניה מינרלים מועשר ספקטרה עבור ביצוע המתחוללות, בתחילה עבור דגימות מועשרת אום נגזר קרקעות (למשל, חומר אורגני מומס, המלטה)15, 16 ואחריו היישום שלה בכמות גדולה אדמה דגימות17,18. דוגמה חמצון כימי המשמש להסרת סום מבוססת על השיטה של חמצון NaOCl מתוארת על ידי אנדרסון19. זה פותח במקור לחלקים הסרת חומר אורגני דגימות קרקע לפני ניתוח רנטגן עקיפה (XRD), נחקר גם פוטנציאל כימי fractionation רגישים סום מייצב20, 21. הן בטמפרטורות גבוהות וניקוי חמצון כימי באמצעות NaOCl יכול כרוכה חפצים ספציפיים אדמה ויש מגבלות על פרשנות ספקטרלי זה יש לקחת בחשבון בעת בחירת שיטת סום להסרת14, 22.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. מכינים את אדמת הסחף שאינם מטופלים ספקטרוסקופיה והסרת סום

  1. ניפוי בקרקע < 2 מ מ באמצעות רשת פלדה אל חלד ('פיין-הארץ השבר").
    הערה: ההדגמה מעסיקה שני קרקעות של מרקם דומה אבל הבדל כמעט 3-fold SOM הכולל תוכן (טבלה 1).

2. סום להסרה על ידי חמצון כימי: דוגמה NaOCl

  1. התאם את רמת החומציות של 6% w/v NaOCl ל pH 9.5 על-ידי הוספת 1 M HCl dropwise לפתרון תוך כדי ערבוב, מדידה עם מד pH.
    הערה: מרבית הלבנה (למשל, חיטוי) המתאימים באיכותם ריכוז (בדרך כלל 3-7% NaOCl וי/v) אבל יהיה pH > 12. כפי NaOCl חמצון של חומר אורגני הוא תלוי pH, ה-pH 9.5 מומלצת לשימוש שלה עם אדמת דגימות19,23, זה הכרחי להתאים את ה-pH של רוב הלבנה זמינים מסחרית.
  2. להוסיף 25 מ ל NaOCl (6% w/v, pH 9.5) קרקע 4 g (sieved, אוויר יבש) צינור חרוטי 50-mL, מיקס על ידי sonication (600 s, תדירות התפוקה-20 קילו-הרץ, כוח 200 W).
  3. דגירה את התערובת בתוך אמבט מים חמים (15 דקות, 80 ° C) כדי להגדיל את שיעור החמצון.
  4. צנטריפוגה כדי לקבל תגובת שיקוע ברורה (למשל, 15 דקות ב g × 4,000 עבור קרקעות עם מרקם מזו; בטמפרטורת החדר). Decant באופן ידני את תגובת שיקוע לתוך מיכל פסולת.
    הערה: הריכוז של NaOCl, תגובת שיקוע (בהנחה שמרני אין חמצון, ולכן אין צריכת NaOCl) היא זהה לזו של אקונומיקה מסחריים זמינים לשימוש ביתי. עדין מרקם קרקעות עשויה לדרוש זמן רב יותר צנטריפוגה (למשל, תלוי מין נוסף 15-30) במהירות צנטריפוגה נתון (למשל, 4,000 × g) כדי לקבל את תגובת שיקוע ברורה.
  5. חזור על שלבים 2.3 ו- 2.4 פעמיים עבור סכום כולל של שלושה צעדים חמצון.
  6. לאחר השלב האחרון חמצון, להוסיף 20 מ ל יונים H2O (dH2O) הקרקע ואת תערובת למשך 5 דקות בעזרת מטרף אופקי (120 סל ד). צנטריפוגה למשך 15 דקות ב 4,000 × g ו בטמפרטורת החדר. חזור על סך של שלושה טיפולים.
  7. בעזרת מרית ו dH2O מבקבוק מים לפי הצורך, לחלץ, לשטוף החוצה בגדר אדמה מהחלק התחתון של הצינור צנטריפוגה לתוך פלסטיק שוקלים סירה (או מיכל אחר עם שטח גבוהה). תנור-יבש (60 ° C המרבי, 48 שעות) למצב אוויר יבש.
  8. ברגע דגימת האדמה הוא מיובש, לכמת פחמן אורגני הכולל תוכן על ידי בעירה-גז כרומטוגרפיה באמצעות מנתח C/N24. לחשב סום להסרת כהפרש בריכוז פחמן אורגני לפני ואחרי טיפול חמצון.
    הערה: בשל אובדן של חומר אורגני, מבנה הקרקע, קרקע יהיה נוטה עובש, בפרט עבור קרקעות עם תוכן חול נמוכה. יתכן צורך להפעיל לחץ עדין ו/או יד טחינת אל מחדש homogenize הקרקע לפלדה מצופה. קרקעות עם פחמן אי-אורגנית (קרי, פחמתי) דורשים פעולות נוספות לכימות תנועת פחמן אורגני בעירה-גז כרומטוגרפיה25,26.

3. סום להסרה על ידי בעירה בטמפרטורות גבוהות

  1. מדד ~ 1-2 גר' קרקע (sieved, אוויר יבש) לתוך כור פורצלן בעזרת מרית.
  2. חום ב 550 מעלות צלזיוס במשך 3 שעות באמצעות תנור לעמעם.
    הערה: זוהי שיטה דוגמה של SOM הסרה באמצעות בעירה בטמפרטורה גבוהה יחסית. עיין בדיון על הליכים אלטרנטיביים (למשל, טמפרטורה).

4. להיסחף ספקטרוסקופיה

הערה: עבור דוגמה זו, התוכנה ספקטרומטר FTIR המופיעים בטבלה של חומרים ייעשה שימוש.

  1. רוכשים את ספקטרום של קרקע ללא טיפול, מינרלים מועשר לדגימה (טיפול להסרת סום).
    1. להכין הדגימות. אדמה.
      1. לדלל את הדגימות (אופציונלי).
        1. שימוש אנליטית כיתה KBr (או מלח הליד אחרים) מיובש ב 105 ° C ומאוחסנים desiccator להסרת לחות שיורית. עבור דגימות. אדמה, דילולים KBr יעילה יכולה להיות מושגת בטווח של 1-33%, בניגוד < 1% עבור תרכובות טהור.
        2. לערבב אדמה KBr עבור גודל דגימה הסופי של 100-400 מ ג. לדוגמה, לדילול 3%, בעדינות לטחון 12 מ"ג של דגימת יבשים עם 60 מ"ג KBr 60 s עם עלי ומכתש אגת. ואז, "לקפל ' 328 מ"ג KBr כדי homogenize באופן מלא את הדגימה.
        3. השתמש דילולים סדרתי עם KBr להשגת קצב דילול הסופי גבוה (< 1%). ביצוע דילולים שכפל כדי להבטיח הפארמצבטית, במיוחד מאז דגימות מדולל להשתמש1-10 102 אדמה פחות יותר מסודר דגימות.
      2. לטחון דגימות קרקע אינו מטופל ומטופל עקביות דומה ביד גריסה, ניפוי (למשל, 250 מיקרומטר באמצעות מסננת 60 #).
        הערה: בהשוואה למסור עקביות שחיקה, ככל בהנחייתם של אוטומציה, בפרט על ידי כרסום כדור. אולם, כמות קטנה יחסית של קרקע בשימוש באמצעים להסרת (למשל, 1-3 g עבור אבדה ערפדה עקב ציד המכשפות נפח) סום את היד טחינת עשוי להיות יותר מעשי.
    2. לאסוף את הספקטרום רקע.
      1. לטעון מדגם של KBr (קרקע באותו אופן כמו דגימות. אדמה (ראה 4.1.1.2) לחקות את אדמת מטריקס אפקטים) לתוך ספל מדגם או צלחת היטב.
        הערה: הקשת"רקע" שונה מן הספקטרום הפניה מינרלים מועשר (ראה 4.1.3) המשמש לביצוע המתחוללות. הקשת רקע ישמש על ידי התוכנה כדי להסיר את האטמוספירה, אחרים absorbances הסביבה בזמן האיסוף של ספקטרה על דגימות קרקע. כל התיאורים תוכנה ספציפית על התוכנה שבחרת, יהיה צורך להתאים אותן תוכנות אחרות.
      2. ניקוי תא ספקטרומטר עם CO2- ו H2O שפשף האוויר (באמצעות גנרטור גז מחק לצמיתות) או בגז2 N גדול עקביות בתנאים אוסף. לדוגמה, אוסף של ספקטרה תחת אמביינט אטמוספירה ייתכן כרוכה תנודות קטנות CO2 זו יכולה לגרום לשינויים ספקטרה ספיגת חום ולחות.
        הערה: ספקטרומטרים החדשים ייתכן מראות (למשל, זהב, SiC) פוטנציאל שיכולים להפחית את השפעות לחות.
      3. לאסוף קשת רקע באמצעות אותן גלאי ורכישה פרמטר הגדרות, כולל סריקת מספר, מספר גל טווח ברזולוציה, שישמש כדי לאסוף את ספקטרום של דגימות.
        1. פתח את התפריט הנפתח לניסוי ובחר בשיטת אוסף ניסיוני הרצוי (למשל, רכישת מצב).
          הערה: בדוגמה זו באמצעות ספקטרומטר שבחרת (ראה את הטבלה של חומרים), השיטה שנבחרה היא התא הראשי iS50.
        2. לחץ על הסמל הגדרת הניסוי לבחירת רכישת ספקטרלי פרמטרים.
        3. תחת הלשונית לאסוף , לבדוק מספר סריקות והרזולוציה מתאימים למטרות ניסיוני; לדוגמה, הגדרה משותפת עבור סחיפה ספקטרום של קרקעות מסודר הוא 128 סריקות ברזולוציה-1 4 ס מ. לחץ על אישור כדי לשמור את השינויים.
        4. לחץ על הסמל ברקע לאסוף לאסוף קשת רקע. שמור את הספקטרום רקע לשימוש באוסף של ספקטרום של קרקעות (מטופל, ללא טיפול).
    3. רוכשים את ספקטרום של דגימות. אדמה.
      הערה: השתמש באותם הפרמטרים לרכישת כדי לאסוף את הרקע מדגם (קרקע ללא טיפול, הקרקע מועשרת מינרליים) ספקטרה. ההבדלים בין גלאי רכישת זמן והרזולוציה להוות הפשרות להשפיע אוסף וזמן איכות ספקטרלי. סריקה טיפוסי מספרים עבור קרקע הספקטרום נע בין 128-512 סריקות. סריקה מספר הניתנות להפחתה, משכפל בממוצע כדי לקבל מספר סריקה היעד הכולל. לדוגמה, משכפל אנליטי שני - המדגם אותו שטעון שתי בארות נפרדים - ניתן לאסוף באמצעות 64 סריקות, בממוצע עבור סכום כולל של סריקות 128.
      1. לטעון את דגימת קרקע. כדי להבטיח הטעינה עקבי ולצמצם חספוס פני השטח, שופכים את דגימות לתוך הגביע לדוגמה (או טוב) עד לנקודה של overfilling מעט מעל השפה או קצה של הגביע. לאחר מכן, חלקה משטח הקרקע בגביע באמצעות קצה שטוח (למשל, גילוח) כך הגובה של אדמת לטעום בגביע מיושר השפתיים של הכוס.
        הערה: עקב האינטראקציה של אור אינפרא-אדום עם מטריצה כגון אדמה במצב ' מאטום לשקוף ' השתקפות, טעינה הדגימה יכול להשפיע על הסחף ספקטרה. דוגמאות לא מהודקת או נתון ללחץ מאחר אריזה צפיפות יכולים להשפיע על ספיגת. גודל החלקיקים עדינה יותר של דגימות מבטיחה בקלות רבה יותר של משטח החלקה (ראו 4.1.2.1). בהתאם לדגם ספקטרומטר צפיפות הדגימה, המסה של המדגם הדרוש כדי למלא כוס המדגם בטווח של 300 עד 600 מ"ג. במקרה של הצלחת וולס, זה תלוי גם בגודל טוב. צלחות עם מספר רב של בארות יהיו וולס קטן וכל ולכן ידרוש פחות דגימה. לדוגמה, 96-ובכן צלחות בדרך כלל יש נפח טוב של 360 µL ואילו הצלחות 24-ובכן יש נפח טוב של 3.4 מ.
      2. לאסוף את ספקטרום של דגימות. אדמה אינו מטופל ומטופל. בדוק תחילה הספקטרום רקע לאיסוף בעבר (ראה 4.1.2.3.4) משמש. לחץ על הגדרת הניסוי. תחת הלשונית לאסוף , בחר להשתמש רקע שצוין בקובץ , לטעון את הקובץ ספקטרום רקע. לחץ על אישור כדי לשמור את השינויים. להתחיל אוסף ספקטרלי על אדמת, לחץ על איסוף הדגימה.
        הערה: לטעון מחדש באותה דגימת זרע טוב שונים או גביע הדגימה כדי לאסוף את ספקטרום שכפל להביא בחשבון פיזור ארטיפקטים שנוצרים על ידי חספוס פני השטח על ידי השתנות מטריצת צפיפות.
  2. לבצע המתחוללות ספקטרלי.
    הערה: פקטור חיסור (SF) שוקל מידת שאליו הם absorbances בספקטרום הפניה מינרלים המופחת absorbances-מספר גל המתאים בספקטרום של הקרקע ללא טיפול. עבור המתחוללות שתכליתו שיפור ברזולוציה של absorbances אורגני לאפיין סום, מומלץ לנצל את מכלול של מיר המוענקת על ידי רוב ספקטרומטרים (למשל, 4,000 ל 650 או 400 ס מ-1, בהתאם הגלאי). השלבים הבאים מתארים שיטה אמפירית לקביעת את SF. כל התיאורים תוכנה ספציפית על התוכנה שבחרת, יהיה צורך להתאים אותן תוכנות אחרות.
    1. אפס את פסגות באמצעות האפשרות חיסור של התוכנה כדי לשנות את הגורם חיסור (SF) כדי למזער או להפחית את פסגות מינרלי של היעד ו/או מינרלים פסגות ו/או להגדיל את בסיס לינארי14.
    2. בו זמנית בחר ספקטרום אדמה אינו מטופל ומטופל, לחץ על הסמל הפחת (העליון המרכזי של המסך); הספקטרום הראשון שנבחר (קרקע ללא טיפול) יהיה הספקטרום שממנו להיות מופחתים הקשת השנייה (שטופלו אדמה).
    3. השתמש אנכיים מוארכים בר או החצים כדי להגדיל או להקטין את SF (השמאלי של המסך). לבחון את השינויים בספקטרום חיסור בתצוגה המקדימה.
      1. השתמש בתכונה זו איטראטיבי לקביעת SF הולם כפי שמתואר נציג תוצאות. הערך המספרי של SF מופיעה במרכז הבר דו-מצבי. כדי להתאים את הערכים בטווח של SF, השתמש בלחצנים Finer ו- Coarser .
    4. לחץ על הוספה (העליון הימני של המסך) כדי לטעון את הספקטרום חיסור מחושב בחלון.
      הערה: מאז רוב המינרלים absorbances אינם ליניארי עם ריכוז רוב (אם לא כל) דגימות קרקע, זה בדרך כלל לא ריאלי כדי להסיר את כל הפסגות מינרלי. מומלץ כי פסגות מינרלים נחשב נוטה פחות היפוך (למשל, קוורץ, כמו סי-O-2,100-1,780 ס מ-1)14 לשמש הפסגה היעד אפס-out על-ידי התאמת את SF.
    5. פרטים מתודולוגי להקליט ולדווח על איך החיסור בוצעה מפורט מספיק כדי לאפשר חישוב עצמאית של הספקטרום חיסור אותו מן הקשת קרקע ללא טיפול, כולל: (1) האזור מספר גל ששימש חיסור, (2). SF או טווח של SFs בשימוש, ו- (3) שיא (מינרלים) או אזור ממוקד עבור אפס-ing החוצה.
      הערה: מבחן טובה של האמינות של חיסור זה אותו לבצע מחדש על ידי אותו משתמש ו/או באופן עצמאי על-ידי משתמש אחר באמצעות הפרמטרים חיסור המדווחת.
  3. לפרש את הספקטרום.
    1. לבצע פרשנות ספקטרלי באמצעות משאבים שונים זמינים לנתח ולפרש ספקטרום החיסור המתקבלת, בהקצאת מסוים של absorbances קבוצות פונקציונליות אורגני4.
      הערה: שימושים אחרים של חיסור ספקטרה כוללים ניתוח רב משתני (למשל, ניתוח גורמים ראשיים), chemometric חיזוי של אדמת analytes27, טביעות אצבע אפילו משפטית9.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

שיטת ההסרה סום יש השלכות מעשיות, כמו גם תיאורטי על הפרשנות של חיסור ספקטרה. לדוגמה, מינרלי שינויים של טמפרטורה גבוהה אבדה ערפדה יכולה להתבטא הפסדים או הופעות של פסגות ו/או כפי זז או והורחבו פסגות בספקטרום הפניה מינרלי. לכלוכים ספקטרלי אלה נוטים להתרחש באזורים של חפיפה עם להקות אורגני-1,600-900 ס מ-1,22 להתפשר על פרשנות של להקות אורגני. שינויים נפוצים של מינרלים להקות בעקבות אבדה ערפדה בטמפרטורה גבוהה (≥ 550 ° C) ניכרות באיור 2 ו לכלול אובדן או פיקס-3,700-3,600 ס מ-1, ואת שיא ההפסדים משמרות סריג סי-O Al-O פסגות ב- 1,050-800 ס מ-1. מצד שני, סום הסרה באמצעות חמצון כימי נוטה לשמר קבוצות פונקציונליות מינרלי, ובכך מסכן פחות חפצים (ראה דיון). עם זאת, זה בדרך כלל בא מחיר נמוך יותר סום להסרת28, כמו evidenced על קרקעות דוגמה (טבלה 2). זו מגבילה פחות הבריכה סום הכולל פרשנות של קבוצה פונקציונלית אורגני קומפוזיציה בספקטרום חיסור.

Oxidations כימי יכול להיות חלופה אטרקטיבית אבדה ערפדה עבור ריהוט רקעים מינרליים כי הם בדרך כלל לשמור על מבנה מינרלי, ובכך להימנע ספיגת מלאכותית תכונות בהפניה ספקטרה ובכך חיסור וכתוצאה מכך ספקטרום14,22. לדוגמה, יפיפיות % 89 האבוד של פחמן אורגני אדמה (SOC) על ידי חמצון NaOCl בהשוואה ל- 97% באמצעות אבדה ערפדה (טבלה 2) תוך שמירה על תכונות ספיגת מינרלים ששונו כתוצאה אבדה ערפדה (איור 2). מצד שני, הסרת שעשויות להיות סלקטיבי ולא שלם של פירושו סום עמידים NaOCl חומר אורגני לא יהיה מאופיין5,29,30, הדורשות פרשנות זהירה של חיסור ספקטרום14. לכימות סום אובדן עם כל טיפול חמצון נוספים שבוצעו יכול לשמש כדי לזהות את מספר אופטימלי של טיפולים חמצוני להסרת סום. הערכה של השיטה חמצון דוגמה באמצעות NaOCl הראה כי הסרת סום plateaued לאחר 3 שלבים חמצון ללא קשר אם התוכן סום דוגמאות של היה נמוך (< 2% C) או גבוהה (36% C). עם כל צעד חמצון רצופים, צבע תגובת שיקוע סביר לשנות מן שונים גוונים של סגול/שחור/כתום חום-אדום בהיר עד צבע הצהוב-ירקרק המקורי של אקונומיקה (קרי, unreacted NaOCl שתדללו).

טחינת כדי להפחית homogenize גודל החלקיקים אדמה עשויה לשפר את איכות ספקטרלי על ידי הקטנת פיזור אור של חלקיקים גדולים והיפוך של חריפה קליטת רכיבי31. למרות גודל החלקיקים המרבי של 250-100 מיקרומטר נחשב אופטימלית כדי למזער כל כך חפצים32, ההערכות האחרונות מראים כי טחינת מעבר מיקרומטר 2000 לא בהכרח לשפר את איכות ספקטרליות עבור chemometric תחזיות33, 34. עם זאת, יותר דק דגימות. אדמה הקרקע עדיין יכולות להניב משופרת פסגות ספיגת (חדות) וירידה בנספח ספיגת השתנות33, אשר יהיה צפוי להרוויח המתחוללות ספקטרלי. מצד שני, מחקרים מצאו כי השחזה (למשל, 200 מיקרומטר) יכול לגרום הטרוגניות יותר בפילוג גודל החלקיקים ניפוי רגיל (למשל, 2,000 מיקרומטר)35,36. ההשפעה של זה על איכות ספקטרלי סביר תלויים מטרות הניסוי (למשל, פרשנות של ספיגת להקות, חיזוי chemometric של שברים C) ואדמה מאפיינים (למשל, מרקם, מינרלוגיה)29. מומלץ כי ההשפעות של שחיקה גודל על ספקטרום חיסור להידרש קבוצה נתונה של קרקעות ויעדים. המדגם שטופלו קרקע המשמש הספקטרום הפניה מינרלים סביר להניח את גודל החלקיקים עדינה יותר מאשר בקרקע ללא טיפול המתאים עקב שיבוש אגרגטים עד להסרת סום.

השימוש של דגימות. אדמה (מדולל) מסודר נפוצה בשימוש של סחיפה ספקטרוסקופיה עקב בקלות רבה יותר של ניתוח, קצב תפוקה גבוהה יותר. דילול הדגימה מבוצעת באופן מסורתי לדוגמאות טוהר גבוהה באמצעות אינפרא אדום-סתרים הליד מלחי (למשל, KBr, NaBr, קי). אולם, הסחף ספקטרוסקופיות פלואורסנציה המרכיב האורגני של קרקעות, דילול מלח הליד הוא פחות יתרון. זאת משום דילול של דגימות נוטה לשפר ברזולוציה של absorbances עבור רכיבים (מינרל) הדומיננטי, אך לא בהכרח אלה המייצגים רכיבי (אורגני) קטין5,37. למרות זאת, יכול להיות יתרונות הדילול של דגימות קרקע, אשר ניתן להעריך מדעית עבור כל מדגם5.

כדי להמחיש את התפקיד של הגורם חיסור (SF) בביצוע המתחוללות ספקטרלי, שקול שספקטרום חיסור השיג עבור הקרקע באמצעות הקשת של הקרקע NaOCl מחומצן כהפניה (איור 3). SF גודלת בין 0 ל-1, ירידה ספיגת של להקות המתאים מינרלים, בייחוד מינרלי משטח O-H-3,618 ס מ-1 וסי-O-1,880 ו- 808 ס מ-1. במקביל, מגביר ספיגת ללהקות המייצגים קבוצות פונקציונליות אורגניים כגון C-H אליפטיות למתוח 2,920 ס מ-1 , פוטנציאל אמיד C-N N-H ו/או ארומטי C = C-1,558 ס מ-1. עם הגדלת קנה המידה של SF, לעומת זאת, היפוכים של absorbances מינרלים כגון סי-O-2100-1780 ס מ-1 להגיח. כמו NaOCl חמצון הוסר 89% סה כ SOC באדמה עם 2.2% C (טבלאות 1, 2), בהתחשב בכך סום מוערך 58% C38, ניתן לחשב על SF תיאורטי של 0.97. עם זאת, אי-ליניאריות של ספיגת תוצאות מעל חיסור של תכונות מינרלים באמצעות SF זו (איור 3).

גישה מעשית יותר היא מבצעית לקבוע את SF בהתבסס על הסרה של תכונה ספיגת מינרלים על-ידי 'ביטול' או אפס-ing החוצה peak(s) היעד. התכונות סי-O כמו קוורץ-2100-1780 ס מ-1 הן absorbances מינרלית יעד מתאים כי הם נובעים מן היסוד ויברציות סי-או שהם פחות רגישים סימונים השתקפות14,37. לדוגמה, ב- איור 3, אפס-ing של קוורץ סי-O-2,100 - 1,780 ס מ-1 מצביע על SF בטווח של 0.7 - 0.8 להיות מתאים יותר להפחית את absorbances מינרלים דומיננטי יותר א-פריורי SF של 0.97 שמחושבים ההבדל המסה (קרי, סום הוסר) בין הדגימות. אדמה שני.

מוקשים פוטנציאליים בבחירת SF כוללים היפוך, oversubtraction, שניהם כפי שניתן על-ידי 'פסגות שלילי' הדומים של שיא הפוך או "W" צורה14, או במקרה של חיסור חזקה, תמונת מראה של הספקטרום קרקע ללא טיפול. היפוכים ייתכן שלא ניתן להימנע לחלוטין מאז אלו נפוצים סי-O-1,150-800 ס מ-1, אך ניתן למזער. ראוי לציין היפוכים כמו אזור לא-רצויה על פרשנות ספקטרלי22,39 כי באזורים אלה ספיגת יכול לשקף כיצד בוצעה החיסור יותר ספיגת הרכיבים, במיוחד עבור קטין המרכיבים כגון המפרך

תוכנה ספקטרלי המלווה ספקטרומטרים FTIR מודרני יכול להיות שימושי להנחות לבצע המתחוללות. השירות של תוכנה כזו טמון התאמה בזמן אמת, איטרטיבי כיסח בעת הצגת הספקטרום החיסור המתקבלת. עם זאת, ברירת המחדל SF שהוצעה על ידי תוכנה ספקטרלי יובהר בזהירות כי הקריטריונים תוכנה יכול להיות לא מתאימה מטרות הניסוי ודוגמאות כגון קרקעות (למשל, ספיגת ליניארי, היפוך של תכונות מינרלים). לדוגמה, התוכנה מסוים שישמש לחישוב חיסור ספקטרה באיור 3 (ראה את הטבלה של חומרים) הציע של SF של 1.45, בהתבסס על לינאריזציה של בסיסית בוכתוצאה מכך חיסור ספקטרום40, אשר מתגעגע המטרה של אפס-ing. סי-O-2100-1780 ס מ-1 לפרשנויות של absorbances אורגנית ב ס 1,800-1, 000 מ-1. חשוב לציין SF שהוצעה על ידי תוכנה מושפעת גם הטווח מספר גל שנבחר עבור החיסור כי התוכנה מייעל חיסור באזור ספקטרלי מוגדרים. יתרונות נוספים של התוכנה כוללים עיבוד ספקטרלי העתקות (למשל, Kubelka-מונק, כוח פונקציות) לשיפור איכות ספקטרלי (למשל, תוכניות בסיסיות לינארי) לפני ביצוע המתחוללות.

הקשת הפניה מינרלים עשויה להכיל תכונות ספיגת מושפע שיטת ההסרה סום, עם השלכות על ביצוע ופרשנות המתחוללות ספקטרלי. השוואה של הבדלים בין לא מטופל, איפרתי לכם התייחסות מינרלים ספקטרה (איור 2) יכול לעזור לזהות אילו תכונות אלה יכול להיות בגלל ממצאים של הסרת סום. בניגוד NaOCl חמצון, אבדה ערפדה המיוצר שינויים בלהקות ספיגת המייצגים קבוצות פונקציונליות מינרלי, ובייחוד משטח phyllosilicate interlayer O-H (3,700-3,600 ס מ-1), באל-הו (915 ס מ-1) ואת סי-O (796, 521 ס מ-1) . להקות כמו קוורץ סי-O (2,100-1,780, 1,159 ס מ-1) לא להציג שינויים מסומנים ספיגת (בעוצמה או מספר גל) עבור הטיפול או.

דוגמה של חיסור יתר לבין הסיכון של חפצים בלתי מזוהה הנובע לשיטת הסרת סום הבחירה הוא הפגין עבור אבדה ערפדה ב 550 ° C באיור4. למרות אפס-ing החוצה כמו קוורץ סי-O-2,100-1,780 ס מ-1 מושגת עם SF של 0.76, היפוך בולטים בצורת W ב- 1,100-450 ס מ-1 מצביע על כי פרשנות של הספקטרום חיסור צריך להיות מוגבל ל- > 1200 ס מ-1. בתור ההפניה ספקטרום היה מתקבל על ידי אבדה ערפדה בטמפרטורות גבוהות, אובדן מינרליים שאו משטח-3,700-3,600 ס מ-1 (ראה איור 2) אומר כי פסגות חדות אלה הם חפץ זה לא צריך להיות מטרה לאפס בחוץ. נסיונות לעשות כן יפגע כנראה ספקטרלי אזורים אחרים. לדוגמה, לא מזהה את התכונה ב 3700 3600 ס מ-1 כמו חפץ יכול להמריץ למשתמש להגדיל SF להפחית (SF = 1.24) או ניסיון רפד (SF = 1.51) החפץ על חשבון יתר הפחתה ספקטרלי האזורים הנותרים, כולל absorbances אורגני-1800-1200 ס מ-1 (איור 4).

אפשרי גם להפחתת יתר על המידה את הקשת הפניה מינרלי, כגון בניסיון לשפר את להקה מסוימת בלי לקחת בחשבון את ההשפעות על אזורים אחרים ספקטרלי (איור 5). בזמן זה עשוי להיות מוצדק על ידי מטרות הניסוי (ראה דיון), הדוגמה באיור 5 של שיפור את המתיחה אליפטיות C-H-3000-2800 ס מ-1 'בכל מחיר' רינדור החלק הנותר של הספקטרום uninterpretable, כולל את אזור המתאים הרוב המכריע של קבוצות פונקציונליות אורגני הרלוונטיים סום אפיון ב ס 1,800-1, 000 מ-1. מחוון של חיסור יתר הוא היפוך המעמיק של תכונות ספקטרליות מעבר סי נוטה היפוך-O מלהקות כמו SF עולה מ 0.81 עד 1.35 כדי 1.72. לעומת זאת, הסרת לא שלם של להקות מינרלים אלה יעד אומר כי SF יש סבירות גבוהה לבצע מספיקות, כעדות החיסור SF של 0.32 נקודות. SF של 0.81 אידיאלי אפס-outs מהי המטרה סי-O כולל-2,100-1,780 ס מ-1 תוך מזעור היפוכים.

השוואה של חיסור ספקטרה שמחושבים ספקטרה הפניה מתקבל על ידי טמפרטורה גבוהה אבדה ערפדה וחמצון כימי לציין תכונות משותפות משופרת על ידי חיסור-1,750-1,350 ס מ-1 ascribable לקבוצות פונקציונליות אורגני, אלא גם התערוכה ההבדלים עקב שינוי של מינרלים והוסרו באופן פוטנציאלי כמות סום (איור 6). שימו לב: SF דומה הושג עבור המתחוללות באמצעות הפניה מינרלים מתקבל על ידי אבדה ערפדה (SF = 0.76, איור 4) לעומת NaOCl חמצון (SF = 0.81, איור 5). עבור שיטה נתון של הסרת סום, ההבדלים הם ראייה ברורה בין ספקטרום חיסור של קרקעות חומר אורגני גבוה ונמוך, כי הם פחות גלויים או נעדר ב ספקטרום קרקע ללא טיפול (איור 6), המתייחס אליפטיות C-H (מתיחה) 2916 ס מ-1, קטון, אמיד C = O עם תרומה אפשרית של מצומדת C = C-1,647 ס מ-1, אמיד C-N, N-H-1,568 ס מ-1, אליפטיות C-H (עיקול) 1,427 ס מ-1, פנול ו/או carboxyl C-O-1,275 ס מ-1. זה חיוני כי חיסור ספקטרה להיות מובן כמו שיטת מבצעית כדי להעריך שינויים יחסית absorbances זה ניתן להקצות קבוצות פונקציונליות אורגני עם משתנה כמובן בהתאם לדוגמה ספיגת וסוג טווח (בשל פוטנציאל חופפים להקות)4.

Figure 1
איור 1. איור של חיסור ספקטרלי כדי לשפר את להקות אורגנית תוך שימוש בספקטרום רקע של הקרקע באותו בעקבות הסרת סום על ידי חמצון כימי (NaOCl). הסחף ספקטרה נאספו ללא דילול KBr המדגם קרקע. הקרקע היא Xerofluvent Mollic תחת שימוש חקלאי עמק סקרמנטו קליפורניה (22 מ ג C g-1 אדמה). חיסור ספקטרה חושבו עם גורם חיסור של 1.0. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
באיור 2. השוואה של מינרלים מועשר ספקטרה רקע או הפניה לביצוע המתחוללות ספקטרלי מתקבל על ידי שיטות שונות להסרת סום. השוואות של קרקעות טיפול ללא טיפול מוצגים עבור משטח אופק (p) של Xerofluvent Mollic נוצרו על סחף מעורב בקליפורניה, ארה ב (22 מ ג C g-1). ספקטרה מתאימות את הקרקע המקורי ללא טיפול (למעלה), ואחריו קרקעות בעקבות טיפולים להסרת סום של חמצון כימי (NaOCl) (באמצע), בעירה בטמפרטורות גבוהות (550 ° C) (למטה). הסחף ספקטרה נאספו על דגימות קרקע ללא דילול KBr. אפור תיבות סימון להקות ספיגת מינרלים האופייניים אדמה ספקטרה, שמרכזו בנקודה 3620 ס מ-1, 1870 ס מ-1 ס מ 800-1. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3. דוגמה של הגדלת הגורם חיסור (SF) במרווחים 0.1 מ- 0.1 (חיסור מינימלי) ל- 1.0 (שווה חיסור של ספקטרום הקרקע המקורי, הפניה ספקטרום). SF עם משקולות מידת שאליו ההפניה הספקטרום (אדמת א לאחר חימום ב 550 מעלות צלזיוס במשך 3 שעות) יופחת מהספקטרום אדמה (מטופל) המקורי (אדמת א). כפי הגורם חיסור יורדת, להקות ספיגת מינרלים המקביל להגדיל (3,618 ס מ-1, 1,880 ס מ-1, 808 ס מ-1), או להקות ייצוג אורגניקס להקטין (2,920 ס מ-1, 1,558 ס מ-1, 1,240 ס"מ-1 ). הסחף ספקטרה נאספו על דגימות קרקע ללא דילול KBr. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
באיור 4. דוגמאות של חיסור יתר לבין הסיכון של חפצים בלתי מזוהה הנובע שיטת הסרת סום (אבדה ערפדה ב 550 ° C). אפילו עם אפס-ing החוצה כמו קוורץ סי-O-2,100-1,780 ס מ-1 (תיבת אפור) (SF = 0.76), היפוך בולטים בצורת W ב- 1100-450 ס מ-1 (חיצים) מציע פרשנות של הספקטרום חיסור צריך להיות מוגבל > 1200 ס מ-1. מאז הספקטרום ההפניה היה מתקבל על ידי טמפרטורה גבוהה אבדה ערפדה (550 ° C), איבוד מינרלי או משטח-3,700-3600 ס מ-1 (תיבת אפור) (ראה איור 2) מציין העמודה הזאת הוא סביר חפץ. לא מזהה את התכונה ב- 3,700-3,600 ס מ-1 כמו חפץ יכול להטעות את המשתמש כדי להגדיל את SF להפחית (SF = 1.24) או רפד (SF = 1.51) תכונה זו ספקטרלי על חשבון oversubtracting האזורים ספקטרלי שנותרו, לרבות אורגני absorbances-1,800-1,200 ס מ-1. ממצאים נוספים אבדה ערפדה כוללות תכונה ב 2300 ס מ-1 (חץ). הסחף ספקטרה נאספו על דגימות קרקע ללא דילול KBr. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5. דוגמאות של חיסור אידיאלי, לא אידאליות ספקטרה באמצעות הפניה מינרלים מתקבל על ידי חמצון NaOCl. חיסור לא מספיקות (נמוך SF = 0.32 נקודות) אומר בולטים המינרל absorbances (תיבות אפור) עדיין קיימות. הגדלת את SF לאפס החוצה כמו קוורץ SiO-2,100-1,780 ס מ-1 (SF = 0.81) איזון בין הקריטריונים של הסרת זו ספיגת המינרלים כמדד עבור חפיפה מינרלי ב ס 1,800-1, 000 מ-1, מזעור היפוכים של סי-O < ס מ 1,100 -1, ושמירה על בסיס לינארי. בניסיון לשפר עוד יותר את אליפטיות C-H-המתיחה-2800-3000 ס מ-1, ניתן להגדיל את SF (ל 1.35 או 1.72), אבל התוצאה היא oversubtraction בדרגות שונות. ספקטרה נאספו על דגימות מסודר (ללא דילול KBr) על ידי סחיפה ספקטרוסקופיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 6
איור 6. לזווג השוואה של סחיפה ספקטרה גבוה (למעלה), נמוך (למטה) חומר אורגני קרקעות לראווה את הפוטנציאל של המתחוללות ספקטרלי כדי לשפר את הפרשנות absorbances אורגניים לעומת ספקטרום הקרקע המקורי. הבדלים absorbances המקביל מינרליים (תיבת אפור) ולהקות ספיגת אורגני (קו מקווקו) ניכרות בין קרקעות סום גבוהות ונמוכות ו/או בין קבוצת ספקטרה 3: ספקטרה הסיכוי המקורי (ללא טיפול), ספקטרה התקבלו ע י הפחתה הפניה מינרלים מן הקשת קרקע ללא טיפול, שימוש קרקע מינרליים מועשר עבור הקשת הפניה מינרלים מתקבל על ידי חום בעירה ('ashing') או חמצון כימי. Absorbances אורגניים שונים בין גבוה ונמוך דגימות סום עלול ולשייך אליפטיות C-H (2,916 ס מ-1), קטון ו/או אמיד C = O עם תרומה אפשרית מצומדת C = C (1,647 ס מ-1), אמיד C-N, N-H ו/או אפשרי (C = C ארומטי 1,568 ס מ-1), אליפטיות C-H (1,427 ס מ-1), carboxyl ו/או פנול C-O (1,275 ס מ-1). קרקעות הם מן האופקp A של Entisols של סחף מעורב בעמק סקרמנטו (קליפורניה, ארה ב). ספקטרה נאספו על דגימות מסודר (ללא דילול KBr). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

אדמת סום
תוכן
SOC
(מ ג ג'-1)
C:N ה-pH
(1:2, מים)
קליי
(מ ג ג'-1)
חול
(מ ג ג'-1)
A גבוהה 22 9.4 6.5 166 133
B נמוך 7 9.3 6.7 126 451
SOC, פחמן אורגני אדמה; C:N, פחמן, חנקן יחס

טבלה 1. מאפיינים של קרקעות בשימוש כדי להדגים שיטות עבור חיסור ספקטרלי לשפר את האפיון של SOM באמצעות סחיפה ספקטרוסקופיה. קרקעות של מינרלוגיה דומה אבל התערוכה הבדלים בריכוז החומר האורגני. קרקעות היו לטעום מן האופקp A של Entisols נוצרה על סחף מעורב סקרמנטו עמק של קליפורניה, ארה.

אדמת אום
תוכן
SOC
(מ ג ג'-1)
אובדן SOC (%)
NaOCl-שור האפר
(500 ° C)
A גבוהה 22 -89.1 -96.5
B נמוך 7 -82.5 -97.2
SOC, פחמן אורגני אדמה; NaOCl-שור, נתרן תת-כלורי מחומצן

בטבלה 2. דוגמה שונות להסרת שערי סום מאת בעירה נגד חמצון כימי. דגימות. אדמה מטופלים כדי להסיר חומר אורגני משמשים כדי לרכוש קשת מינרלים מועשר הפניה לביצוע המתחוללות ספקטרלי כדי לשפר את האפיון של SOM קבוצה פונקציונלית קומפוזיציה באמצעות סחיפה ספקטרוסקופיה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

השיטה של הסרת סום נושאת שני שיקולים: 1) כמות סום הוסר, וההתייחסות 2) ספיגת לכלוכים בתוך המינרל וכתוצאה מכך הספקטרום. למרבה המזל אפשרי — והכרחי ניתן לטעון — כדי לזהות ומפיק כמות אלה כדי למנוע פרשנויות משוחד של הרכב סום מהספקטרום החיסור המתקבלת. באופן אידיאלי, המתחוללות ספקטרלי היה מעסיק קשת ההתייחסות מינרליים בלבד להניב קשת של 'טהור'. תודה במציאות, הספקטרום החיסור המתקבלת תערוכות absorbances המקביל סום כי הם משופרת ביחס הקשת המקורית אדמה (ללא טיפול). זה בגלל ספיגת ליניארי של רכיבים מינרליים דגימות קרקע מונע חיסור שלם של כל absorbances מינרלים. Absorbances מינרליים מלאכותית ו/או הסרת לא שלם סום להגביל פרשנות של תכונות ספיגת ספציפי או פרשנות של הבריכה הכולל סום, בהתאמה.

כפי שמעידים הדוגמאות המוצגות כאן, שתי השיטות הנפוצות עבור הסרת סום כדי לקבל הפניה מינרלים ספקטרה (בעירה תרמית או אבדה ערפדה וחמצון כימי) נוטים לגבש פשרה בין מידת סום להסרת וחפצים ספקטרלי. אלה יש השלכות שונות על הפרשנות של חיסור ספקטרה. מאותה סיבה כי הוא משמש לאיבוד על ההצתה (LOI) שיטה להערכת תוכן סום, אבדה ערפדה בטמפרטורה גבוהה (≥ 350 ° C) מסיר סום כמעט כל אך סביר להניח לשנות מבנים מינרל גבישי, ובכך לייצר שינויים בלהקות ספיגת מינרלים. כמופיע כאן, אלה יתגשם כלכלוכים בספקטרום חיסור אם תרומות ספקטרלי של מינרלים לפני ואחרי אבדה ערפדה שונים. רגישות תרמית של מינרלים, אשר יכול להיות ספציפי מינרליים, כוחות פשרה על השירות של המתחוללות ספקטרלי מחושב עם הפניה ספקטרה התקבלו ע י אבדה ערפדה, במיוחד בטמפרטורה גבוהה (למשל, 550 ° C). מסוים לטמפרטורה המינרלים אבדה ערפדה וסוג מינרלים שינויים כוללים dehydroxylation, כיווץ interlayer, התייבשות41,42,43, תועדו ספקטרום של קרקעות של מינרלוגיה מגוונים 10 , 28 , 44 , 45.

מידע על מינרלוגיה דגימת אדמה יכול לשמש מראש כדי לקבוע את הטמפרטורה אבדה ערפדה מונע או מצמצם את שינוי מינרלי (למשל, interlayer התמוטטות קאוליניט או מעל 350 ° C). חפצים מינרלי יכול להיות מזוהה, הצפוי במינים דגימת אדמה כדי אבדה ערפדה-משתנה טמפרטורות והשוואה בין הספקטרום המתקבל עם הספקטרום של קרקע ללא טיפול, תקנים מינרלי טהור10,46. אחד עלולה גם להגביל מינרלוגיה קבע המדגם על מנת לשמור על חפצים חיסור הנובעים אבדה ערפדה קבוע על פני דגימות. אדמה. לבסוף, טמפרטורות נמוכות אבדה ערפדה יותר (למשל, 350 ° C) יכול לשמש כדי לשפר כמה להקות אורגני10,47. בדומה oxidations כימיים, השימוש של טמפרטורות נמוכות בדרך כלל מגיע בעלות של התחתון28 (טבלה 2) והסרת סום שעשויות להיות סלקטיבי10 .

Oxidations כימי באופן כללי ופחות עלול לגרום שינוי מינרלי, בפרט עבור בחלק, אך עשוי להשפיע שברים מינרלים אחרים כגון תחמוצות ברזל (hydr). אם ידוע, מינרלוגיה של דגימות. אדמה להתייחס בעת בחירת של חמצון. לדוגמה, נתרן תת-כלורי ניתן להסיר כמויות גדולות יחסית של סום עם מזערית או אין פירוק תחמוצות, לעומת אחרים חמצון סוכנים (למשל, מימן על-חמצני)48,49,50 , 51. אפקטים אלה צפויים להיות תלוי מינרלוגיה ו/או סום (למשל, שיעור גבוה של חומר אורגני מינרלי מכורך עשוי להיות עמידים יותר בפני oxidations קצת אבל לא אחרים).

הסיבה למה אפס-ing החוצה להקות מינרלים היעד היא אסטרטגיה טובה יותר מאשר להסתמך על החישוב-תוכנה או א-פריורי SFs היא כי אלה עשויים צריכים להיות מותאמים אם להקות מינרלים היעד לא יוסרו לחלוטין. כמו זה נפוץ ללהקות מינרלים בשל ריכוזים גבוהים phyllosilicate דגימות קרקע, ספיגת ובכך ליניארי ספקטרה (למשל, Si-O מתיחה ב- 1,100-950 ס מ-1)22, במיוחד עבור הנוהג ניתוח דוגמאות מסודר (אין הליד מלח דילול), ההתאמה של SF לבחון כדי למזער את להקות מינרלים לפי מטרות הניסוי.

המתחוללות ספקטרלי מציעים שיפור ביכולת של אדמת ספקטרה כדי לשמש לפרש אורגני קבוצות פונקציונליות שמרכיבים סום מאת לשפר את interpretability של absorbances אורגניות באזורים עם absorbances המינרלים חופפים. להקות אפילו אורגני אבל כדי להיות נטולי מינרליים יחסית יכולים להפיק תועלת המתחוללות ספקטרלי. לדוגמה, המתיחה אליפטיות C-H-2800-3000 ס מ-1 נחשבת לפחות מבולבל מינרליים הלהקה אורגני אדמה ספקטרה22, אבל הרזולוציה שלה עדיין ניתן לשפר במידה ניכרת עם המתחוללות ספקטרלי52. האתגרים בפרשנות של FTIR ספקטרום של מדגם מורכבים מבחינה כימית כגון סום צריך לא להיות conflated עם המגבלה של השיטה או שינויים שלה (למשל, המתחוללות) בגלל המורכבות כזה הוא תכונה הטבועה של סום, אשר גם אתגרים אחרים1,גישות ספקטרוסקופיות (למשל, תהודה מגנטית גרעינית ספקטרוסקופיה)5.

המתחוללות ספקטרלי מציעים אסטרטגיה ייחודי כתובת אילוצים הטמון spectroscopic ניתוח של SOM הנובעים מינרלים הדומיננטיות של דגימות. אדמה, ועם משלימים את החסר חזקה לשיטות אחרות עם מגבלות שונות משלהם5, 14. לדוגמה, גישה נפרד כדי לשפר בעזרת FTIR ניתוח ספקטרוסקופיה של סום היא הטיפול מראש של קרקעות עם חומצה הידרופלואורית (HF) כדי להסיר את רוב של הרכיב מינרלי. מאחר העלמות המינרלים של דגימות. אדמה שגרתית לניתוח spectroscopic NMR, קרקעות שטופלו HF אותו הם לעתים קרובות גם נותחו על ידי FTIR ספקטרוסקופיה. עם זאת, העלמות המינרלים עם HF יכול לחולל אבידות משמעותיות סום לסכן את השירות שלה כמו53,54גישה עצמאית. לדוגמה, כמעט שליש סום אדמה A (טבלאות 1 ו- 2) הוסר במהלך הטיפול HF5.

חשוב לציין כי השירות של המתחוללות לניתוח של קרקעות הוא כדי לשפר את פוטנציאל להקות אורגני של עניין wavenumber(s) מסוים במקום מניב חיסור שלם של כל הפרעה absorbances מינרלים55, 56,57,58. מסיבה זו, המתחוללות עשוי להיות פחות או יותר מתאים לאזורים ספקטרלי מסוים. נגוין. et al. 4 זיהה כי המתחוללות היו עשוי להיות שימושי ביותר לשפר את להקות אורגני-1,800-1600 ס מ-1, שהיא ריבס השלישי22 אובחן כאזור ספקטרלי שעבורו המתחוללות מדויק היה אפשרי גם עם חפצים התייחסות ספקטרה התקבלו ע י אבדה ערפדה בטמפרטורות גבוהות. מינרל absorbances סי-O באזור זה לחסר במדויק, לעומת אזורים אחרים (למשל, 1,000-400 ס מ-1) בשל ליניארי ספיגת היפוכים של להקות מינרלים כמו סי-O-1,050-980 ס מ-1 37 ,59.

אזור פוטנציאל פורה של עבודה בעתיד היא כתובת מאפייני אדמה באופן שיטתי צפוי כרוך חפצים ספציפיים דוגמת לראשונה על ידי שיטת ההסרה סום. האתגר העיקרי כדי המתחוללות ספקטרלי הוא הקושי של קבלת קשת ההתייחסות מינרלי בעל להסרת סום ליד או מלא עדיין מינימלי או אין ממצאים להסרת סום. שיטות הנוכחי של טמפרטורה גבוהה אבדה ערפדה חמצון כימי לחולל פשרה בין שתי מטרות אלה. זיהוי חפצים ספציפיים מינרלוגיה לזיהוי ב- FTIR ספקטרה על פני טווח של SOM הסרת תנאים, סוגי אדמה, כמו גם סטנדרטים מינרלי טהור, יהיה צעד ראשון לקראת הקמת המלצות ספציפיות אדמה22. שיטות אלטרנטיביות של הסרת סום טרם להיחקר באופן שיטתי. מבטיח שיטות להסרת כוללים אבדה ערפדה בטמפרטורה נמוכה (מתבצעות לעתים קרובות בלחץ נמוך), oxidations כימיים, חמצן, נתרן peroxodisulphate14.

ספקטרום של קרקעות demineralized באמצעות תדר גבוה יכול לשמש כדי להשוות בין חיסור ספקטרה התקבלו ע י שיטות שונות. HF יכול לשמש כדי להמיס ולהסיר רוב של המרכיב המינרלי של דגימות. אדמה, מניב דוגמה מועשרת סום. מאז הספקטרום של דגימת האדמה שטופלו HF בתיאוריה יהיה דומה לקשת חיסור של הקרקע אותה תוך שימוש בספקטרום הפניה מינרלים שהושג על ידי הסרה מלאה של סום, משווה את הספקטרום של SOM מתקבל על ידי העלמות המינרלים HF לעומת חיסור יכול היה לשמש קרוס-לאמת ספיגת להקות, לזהות חפצים, את הביטחון העצמי הקצאות ספקטרלי5, במיוחד באזורים מועדים חיסור חפצים באמצעות היפוך (< 1200 ס מ-1). עם זאת, הסרת לא שלם ו/או סלקטיבי של רכיבים אורגניים ומינרליים במהלך הטיפול HF אומר כי ספקטרום של קרקעות שטופלו HF אינם מציעים של ספקטרום 'אובייקטיבי' של סום, רק השוואה מבצעית אשר, שלא כמו המתחוללות ספקטרלי, בטח לשקול בזהירות לאור ממצאים פוטנציאליים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgements

אנו מעריכים את ההדרכה של ד ר רנדי Southard על NaOCl חמצון, דיונים שונים ספקטרלי המתחוללות עם ד ר Fungai F.N.D. Mukome.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics