Att förbättra infraröd spektroskopi karakterisering av markens organiska material med spektrala subtraktioner

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

SOM ligger bakom många av markens funktioner och processer, men dess karakterisering av FTIR spektroskopi ifrågasätts ofta av mineral störningar. Den beskrivna metoden kan öka nyttan av SOM analys av FTIR spektroskopi genom att subtrahera mineral störningar i jord spectra med empiriskt erhålls mineral referens spectra.

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

Markens organiska material (SOM) ligger bakom många jord processer och funktioner. Fourier transform infraröd (FTIR) spektroskopi upptäcker IR-aktiva organiska obligationer som utgör komponenten organiska jordar. Dock alstrar relativt lågt organiskt innehåll jordar (vanligen < 5% massprocent) och absorbansen överlappning av mineral- och organiska funktionella grupper i regionen Mid infraröd (MIR) (4,000-400 cm-1) betydande störningar av dominerande mineraliska absorbanserna, utmanande eller ens förhindra tolkning av spectra för SOM karakterisering. Spektral subtraktioner, en post-hoc-matematisk behandling av spektra, kan minska mineral störningar och förbättra upplösning av spektral-regioner motsvarar ekologiska funktionella grupper genom att matematiskt avlägsna mineral absorbanserna. Detta kräver en mineralberikade referens spektrum, som empiriskt kan erhållas för ett visst jordprov genom att ta bort SOM. Mineralberikade referens spektrumet subtraheras från den ursprungliga (obehandlat) spectrumen av de jordprov att producera ett spektrum som motsvarar SOM absorbanserna. Vanliga SOM borttagning metoder inkluderar hög temperatur förbränning ('blinkar') och kemisk oxidation. Urval av metoden SOM borttagning bär två överväganden: (1) mängden SOM tas bort och (2) absorbans artefakter i mineralet referera spektrum och därmed resulterande subtraktion spektrumet. Dessa potentiella problem kan, och bör identifieras och kvantifieras för att undvika vilseledande eller partiska tolkningar av spektra för organisk funktionell grupp sammansättningen av SOM. Efter SOM borttagning, resulterande mineralberikade provet används för att samla ett mineral referens spektrum. Flera strategier finns för att utföra subtraktioner beroende på experimentella mål och provets karaktär, främst bestämningen av faktor, subtraktion. Det resulterande subtraktion spektrumet kräver noggranna tolkning utifrån den ovan nämnda metoden. För många jord och andra miljöprover som innehåller betydande mineraliska delar, har subtraktioner stark potential att förbättra FTIR spektroskopiska karakterisering av organiskt material sammansättning.

Introduction

Markens organiska material (SOM) är en mindre beståndsdel av massan i de flesta jordprover men är inblandad i flera boenden och bearbetar underliggande markens funktioner, såsom näringsämne cykling och kol kvarstad1. Karaktärisera sammansättning SOM är en av flera metoder att länka SOM bildning och omsättning med dess roller i markens funktioner2,3. En metod att karakterisera SOM sammansättning är Fourier transform infraröd (FTIR) spektroskopi, som erbjuder identifiering av funktionella grupper som utgör organiskt material i jordarna och andra miljöprover (t.ex., carboxyl C-O, alifatiska C-H) 4. dock nyttan av FTIR spektroskopi för avslöjande SOM funktionell grupp sammansättning utmanas av den dominerande mineral komponenten för majoriteten av jordar (vanligen > 95% massa) på grund av starka oorganiska absorbanserna som utmanar eller kraftigt begränsa upptäckt och tolkning av organiska absorbanserna.

Spektral subtraktioner erbjuder ett sätt att förbättra FTIR spektroskopiska karakterisering av organiskt material i jordprover. Subtrahera mineral absorbanserna från jord spektrumet kan användas för att förbättra absorbanserna för ekologiska funktionella grupper av intresse i analysen av SOM sammansättning

(Figur 1).

Fördelarna med spektrala subtraktioner över standard FTIR spektroskopi (dvs, jord spectra) inkluderar:

(i) förbättrad upplösning och tolkning av organiska absorbansen band jämfört med normala jord spectra. Även om tolkningen av organiska band i jord spectra kan utföras av förutsatt att de relativa skillnaderna i absorbansen är på grund av skillnader i ekologiska funktionella grupper, begränsar detta jämförelser till prover med samma mineralogi och relativt höga SOM innehåll, och kan vara mindre känslig för förändringar i organiska band, även dessa anses vara relativt mineral-fri (e.g. alifatiska C-H stretch)5

(ii) analys av jordar utöver höga SOM prover eller organiska materia-berikad extrakt eller fraktioner

(iii) belyser förändringar som kan framkallas av experimentella behandlingar från mesokosmos till fältet skalor6

Ytterligare tillämpningar av spektral subtraktioner i FTIR analys av SOM inkluderar kompletterar strukturella och molekylär karakteriseringar (t.ex., NMR spektroskopi, masspektrometri)5,7, att identifiera de sammansättning SOM tagits bort av en extraktion eller destruktiva fraktionering8och fingeravtryck SOM sammansättning för kriminaltekniska ändamål9. Denna metod är tillämplig på en mängd olika mineral-organiska blandningar utöver jordar, inklusive sediment10, torv11och kol12,13.

Spektral subtraktioner potential att förbättra FTIR spektroskopiska karakterisering av SOM påvisas med hjälp av exempel av organiskt material borttagning för att få mineral referens spectra, och sedan använda dessa mineral referens spectra, utför och utvärderande ideala och icke-ideala spektrala subtraktioner. Denna demonstration fokuserar på diffus reflektans infraröd Fourier transform (driva) spektra samlas in i regionen Mid infraröd (MIR, 4.000-400 cm-1), eftersom detta är en utbredd metod för analys av jord prover4.

Två exempel metoder SOM borttagning för att erhålla ett mineralberikade referens spektrum är a hög temperatur förbränning ('blinkar') och (ii) kemisk oxidation, använda utspädd natriumhypoklorit (NaOCl). Det bör noteras att dessa är exempel på vanliga anställda SOM borttagning metoder, snarare än föreskrivande rekommendationer. Andra metoder för SOM borttagning kan erbjuda reducerade mineral artefakter eller förbättrad borttagning priser (t.ex., låg temperatur blinkar)14. Hög temperatur blinkar var en av de första metoderna som används för att inhämta mineralberikade referens spectra för utför subtraktioner, initialt för OM-berikad prover härrör från jordar (t.ex., löst organiskt material, kull)15, 16 följt av dess tillämpning till bulk jord prover17,18. Exempel kemisk oxidation används för att avlägsna SOM bygger på metoden NaOCl oxidation beskrivs av Anderson19. Detta utvecklades ursprungligen som en förbehandling för att ta bort organiskt material i jordprover före röntgendiffraktion (XRD) analys, och har undersökts som en potentiella kemiska fraktionering känslig för SOM stabilisering20, 21. både hög temperatur borttagning och kemisk oxidation med NaOCl kan medföra jord-specifika artefakter och har begränsningar på spektrala tolkning som bör beaktas när du väljer en metod SOM borttagning14, 22.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Förbered marken för icke behandlat DRIFT spektroskopi och SOM borttagning

  1. Siktas jorden till < 2 mm med ett rostfritt nät (den ' böter-jord fraktionen').
    Obs: Denna demonstration sysselsätter två jordar av liknande konsistens men en nästan 3-faldig skillnad i totala SOM innehåll (tabell 1).

2. SOM borttagning av kemisk Oxidation: exempel på NaOCl

  1. Justera pH-värdet i 6% w/v NaOCl till pH 9,5 genom att lägga till 1 M HCl droppvis lösningen medan blandning och mäta med pH-mätare.
    Obs: De flesta kommersiella blekmedel (t.ex., Clorox) är lämpliga i kvalitet och koncentration (vanligtvis 3-7% NaOCl v/v) men har pH > 12. NaOCl oxidation av organiskt material är pH-beroende och pH 9,5 rekommenderas för användning med jord prover19,23, är det nödvändigt att justera pH-värdet i de flesta kommersiellt tillgängliga blekmedel.
  2. Tillsätt 25 mL NaOCl (6% w/v, pH 9,5) till 4 g jord (sållit, lufttorkas) i en 50 mL konisk tub och mix av ultraljudsbehandling (600 s, utgående frekvens 20 kHz, power 200 W).
  3. Inkubera blandningen i ett hett vatten bad (15 min, 80 ° C) för att öka oxidation.
  4. Centrifugera att erhålla en klar supernatant (t.ex., 15 min vid 4000 × g i grövre texturerat jordar; rumstemperatur). Manuellt Dekantera supernatanten i en avfallsbehållare.
    Obs: Koncentrationen av NaOCl i supernatanten (konservativt förutsatt att ingen oxidation och därmed ingen förbrukning av NaOCl) är samma som kommersiellt tillgängliga blekmedel för hushållsbruk. Finare texturerat jordar kan kräva längre centrifugeringstid (t.ex., upp till en ytterligare 15-30 min) med en viss centrifug hastighet (t.ex., 4000 × g) för att få en klar supernatant.
  5. Upprepa steg 2.3 och 2.4 två gånger för totalt tre oxidation steg.
  6. Efter det sista steget-oxidation till 20 mL avjoniserat H2O (dH2O) till jord och blanda i 5 min horisontella skakapparat (120 rpm). Centrifugera under 15 minuter vid 4 000 × g och rumstemperatur. Upprepa för sammanlagt tre behandlingar.
  7. Med hjälp av en spatel och dH2O från en sprutande flaska som behövs, extrahera och wash-out jord pelleten från botten av centrifugröret i en plast väger båten (eller en annan behållare med höga yta). Ugn-torr (60 ° C maximal, 48 h) till en lufttorkad stat.
  8. När jordprov är torkat, kvantifiera totalt organiskt kolinnehåll genom förbränning-gaskromatografi med en C/N analyzer24. Beräkna SOM borttagning som skillnaden i koncentration av organiskt kol före och efter oxidation behandling.
    Obs: På grund av förlusten av organiskt material och markens struktur, jord kommer att vara benägna att skorpbildning, i synnerhet för jordar med lågt sand. Det kan vara nödvändigt att applicera lätt tryck och/eller hand slipning för att åter homogenisera jordens skorpa. Jordar med oorganiska kol (d.v.s. karbonater) kräver ytterligare åtgärder för att kvantifiera organiskt kol från förbränning-gas chromatography25,26.

3. SOM borttagning av hög temperatur förbränning

  1. Åtgärd ~ 1-2 g jord (sållit, lufttorkas) in i en porslinsdegel med hjälp av en spatel.
  2. Värme vid 550 ° C för 3 h med en muffelugn.
    Obs: Detta är ett exempel metod för SOM borttagning med hjälp av förbränning vid relativt hög temperatur. Se diskussion på alternativa förfaranden (t.ex., temperatur).

4. DRIFT spektroskopi

Obs: Det här exemplet FTIR spektrometer programvaran som anges i Tabell av material kommer att användas.

  1. Förvärva spektra av obehandlad jord och mineral berikad referensprov (behandlade för att ta bort SOM).
    1. Förbereda jordproverna.
      1. Späd ut proverna (valfritt).
        1. Användning analyskvalitet KBr (eller andra halide salt) torkas vid 105 ° C och lagras i en exsickator ta bort kvarvarande fukt. För jordprover, kan effektiv KBr utspädningar uppnås på en rad 1-33%, i motsats till < 1% för rena föreningar.
        2. Blanda jord och KBr för ett slutligt provstorlek 100-400 mg. Till exempel för en 3% utspädning, försiktigt slipa 12 mg torkat prov med 60 mg av KBr för 60 s med en agat mortel och stöt. Sedan 'vik ' 328 mg KBr till fullt Homogenisera provet.
        3. Använd seriespädningar med KBr för att få kraftig slutlig spädning (< 1%). Utföra replikera spädningar för att säkerställa reproducerbarhet, särskilt eftersom utspädda prover Använd 101-102 mindre mark än snygg prover.
      2. Slipa obehandlade och behandlade jordprover till liknande konsistens för hand slipning och siktning (t.ex., 250 µm med hjälp av en 60 # SIL).
        Obs: Jämfört till hand underlättas slipning, större konsekvens genom automatisering, särskilt av bollen fräsning. Dock relativt liten mängden jord som används i SOM borttagning (t.ex., 1-3 g för föraskning på grund av degeln volym) innebär att hand slipning kan vara mer praktiskt.
    2. Samla spektrumet som bakgrund.
      1. Läsa in ett prov av KBr (marken på samma sätt som jordprover (se 4.1.1.2) för att efterlikna jord matriseffekter) i en prov kopp eller tallrik väl.
        Obs: ”Bakgrunden spektrum” skiljer sig från mineralberikade referens spektrumet (se 4.1.3) används för att utföra subtraktioner. Bakgrunden spektrumet kommer att användas av programmet att ta bort atmosfäriska och andra omgivande absorbanserna under samling av spectra på jordprover. Alla programvara beskrivningar är specifika för det valda programmet och kommer att behöva anpassas till andra program.
      2. Rensa spektrometer kammaren med CO2- och H2O-skrubbas luft (via en utrensning gasgenerator) eller N2 gas för större enhetlighet i samling villkor. Samling av spectra under omgivande atmosfär kan exempelvis medföra små variationer i luftfuktighet och CO2 som kan orsaka förändringar i absorbans spectra.
        Observera: Nyare spektrometrar kan ha speglar (t.ex., guld, SiC) som potentiellt kan minska luftfuktighet effekter.
      3. Samla en bakgrund spektrum med samma detektor och förvärvet parameterinställningar, inklusive scan nummer, Vågtal utbud och upplösning, som används för att samla spektra av prover.
        1. Öppna den nedrullningsbara menyn för Experiment och välj den önska experimentella insamlingsmetoden (t.ex., förvärv-läge).
          Obs: I det här exemplet använder valt spektrometer (se Tabell för material), vald metod är IS50 Main fack.
        2. Klicka på ikonen Experiment Välj spektrala förvärv parametrar.
        3. Under fliken samla in , kontrollera att antal skanningar och upplösning är lämpliga för experimentella syften; en gemensam miljö för DRIFT spektra av snyggt jordar är exempelvis 128 skanningar med 4 cm-1 upplösning. Klicka på Ok för att spara ändringar.
        4. Klicka på ikonen Samla bakgrund för att samla in en bakgrund spektrum. Spara bakgrund spektrumet för användning i samlingen av spektra av jordar (behandlade och obehandlade).
    3. Förvärva spektra av jordprover.
      Obs: Använd samma förvärv parametrar för att samla bakgrund och prov (obehandlad jord, mineralberikade jord) Spektra. Skillnader mellan detektorer i förvärvet tid och resolution utgör avvägningar som påverkar upphämtningstid och spektrala kvalitet. Typiska scan siffror för jord spectra spänner från 128-512 skanningar. Scan nummer kan minskas och replikerar i genomsnitt för att få ett totalt målnumret scan. Till exempel två analytiska replikat - samma prov laddade i två separata brunnar - kan sugas upp med 64 skannar varje och i genomsnitt totalt 128 skanningar.
      1. Ladda jordprov. För att säkerställa konsekvent lastning och minimera ytjämnhet, häll prover i provet koppen (eller Jo) till peka av något överfyllning ovanför läppen eller kanten av koppen. Då ytan slät jorden i koppen med en platta kanten (t.ex., razor) sådan att höjden av jord prov i koppen är jäms med kanten av koppen.
        Obs: På grund av samspelet mellan infrarött ljus med en matris som jord i diffus reflektans läge, prov lastning kan påverka DRIFT spectra. Prover bör inte vara stampad eller utsätts för påtryckningar att packning densitet kan påverka absorbans. Finare partikelstorlek av prover garanterar större användarvänlighet yta utjämning (se 4.1.2.1). Beroende på spektrometer modellen och prov tätheten, kommer att massa prov som behövs för att fylla en prov cup variera från 300 till 600 mg. När det gäller plattan brunnar beror detta även på väl storlek. Plattor med ett större antal brunnar kommer att ha mindre brunnar och kräver därför mindre prov. Till exempel har 96 brunnar ofta en väl volym på 360 µL medan 24 brunnar har en väl volym 3,4 ml.
      2. Samla spektra av obehandlade och behandlade jordprover. Första kontrollen som spektrumet som bakgrund samlat tidigare (se 4.1.2.3.4) används. Klicka på experiment. Under fliken samla , Välj Använd angivna bakgrunden fil och läsa in bakgrunden spektrum filen. Klicka på Ok för att spara ändringar. Klicka på Samla in provför att påbörja spektrala samling på smutsa.
        Obs: Re-load samma prov i en annan brunn eller prov kopp att samla replikera spektra för spridning artefakter tillverkas av ytjämnhet och av variabilitet i matrix densitet.
  2. Utföra spektrala subtraktioner.
    Obs: subtraktion faktor (SF) väger graden som absorbanserna i mineral referens spektrum subtraheras från absorbanserna vid den motsvarande Vågtal i spectrumen av obehandlade smutsa. För subtraktioner fokuserade på att förbättra upplösning av organiska absorbanserna att karakterisera SOM, rekommenderas det att utnyttja hela MIR ges av de flesta spektrometrar (t.ex., 4.000 till 650 eller 400 cm-1, beroende på detektorn). I nästa steg beskrivs en empirisk metod för bestämning av SF. Alla programvara beskrivningar är specifika för det valda programmet och kommer att behöva anpassas till andra program.
    1. Noll ut toppar med hjälp av subtraktion alternativet av programvaran ändra subtraktion faktorn (SF) för att minimera eller minska ett mål mineral toppar och/eller mineral toppar och/eller att maximera en linjär baslinjen14.
    2. Samtidigt Välj obehandlade och behandlade jord spektra och klicka på ikonen subtrahera (mitten längst upp på skärmen); första spektrumet valt (obehandlad jord) blir det spektrum som andra spektrumet (behandlade jord) kommer att dras.
    3. Använda vertikala växla bar eller pilarna för att öka eller minska SF (vänstra skärmen). Observera att ändringar i förhandsgranskade subtraktion spektrumet.
      1. Använda iterativ funktionen för att bestämma en lämplig SF som beskrivs i Representativa resultat. Det numeriska SF-värdet visas i mitten av fältet växla. För att justera de utbud av SF-värdena, Använd knapparna Finer och Coarser .
    4. Klicka på Lägg till (övre högra skärmen) för att ladda det beräkna subtraktion spektrumet i ett fönster.
      Obs: Eftersom majoriteten av mineral absorbanserna inte är linjär med koncentration i de flesta (om inte alla) jordprover, det är oftast inte möjligt att ta bort alla mineral topparna. Det rekommenderas att mineral toppar anses vara mindre benägna att inversion (t.ex. kvarts-liknande Si-O på 2,100-1 780 cm-1)14 användas som mål topp till noll genom att justera SF.
    5. Registrera och rapportera metodologiska Detaljer på hur subtraktionen utfördes med tillräckligt detaljerade för att möjliggöra oberoende beräkning av samma subtraktion spektrumet från den obehandlade jord spektrumet, inklusive: (1) Vågtal regionen används för subtraktion, (2). den SF eller utbud av SFs används, och (3) den (mineral) peak eller regionen måltavlan för noll-ing ut.
      Obs: Ett bra test av en subtraktion tillförlitlighet är att den utförs på nytt av samma användare eller självständigt av en annan användare med hjälp av rapporterade subtraktion parametrar.
  3. Tolka spektra.
    1. Utföra spektrala tolkning använder olika resurser för att analysera och tolka de resulterande subtraktion spectrana, särskilt uppdrag av absorbanserna till ekologiska funktionella grupper4.
      Obs: Andra användningsområden för subtraktion spectra inkluderar multivariat analys (t.ex., principalkomponentanalys), chemometric Prediktion av jord analyter27och även rättsmedicinska fingeravtryck9.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Metoden för avlägsnande SOM har såväl praktiska som teoretiska konsekvenser för tolkningen av subtraktion spectra. Till exempel mineral förändringar från hög temperatur blinkar kan manifesteras som förluster eller framträdanden av toppar och/eller som skiftade eller breddat toppar i mineral referens spektrumet. Dessa spektrala artefakter är benägna att inträffa i regioner av överlappning med organiska band på 1 600-900 cm-122 att kompromissa tolkning av organiska band. Vanliga förändringar av mineral band efter hög temperatur blinkar (≥ 550 ° C) syns tydligt i figur 2 och inkluderar förlust av OH toppar vid 3 700-3 600 cm-1och peak förluster och skiftar i galler Si-O och Al-O toppar på 1 050-800 cm-1. Däremot, SOM borttagning med hjälp av kemisk oxidation tenderar att bevara mineral funktionella grupper och därmed riskerar färre artefakter (se diskussion). Detta kommer dock normalt till en kostnad av lägre SOM borttagning28, vilket framgår till exempel smutsar (tabell 2). Detta begränsar tolkningen av organisk funktionell grupp sammansättning i subtraktion spektrumet till mindre än den totala SOM poolen.

Kemiska oxidationer kan vara ett attraktivt alternativ till föraskning för inredning mineral bakgrunder eftersom de generellt bevara mineral strukturen och därmed undvika artefaktiska absorbansen funktioner i referens spectra och thus den resulterande subtraktionen Spectrum14,22. Till exempel jord förlorade 89% av organiskt kol i marken (SOC) av NaOCl oxidation jämfört med 97% av blinkande (tabell 2) samtidigt bevara mineral absorbansen funktioner ändras genom blinkande (figur 2). Däremot, karakteriseras ofullständig och potentiellt selektiv borttagning SOM innebär att NaOCl-resistenta organiskt material inte kan5,29,30, som kräver noggrann tolkning av subtraktionen Spectrum14. Kvantifiera SOM kan förlust med varje ytterligare oxidation behandling utförs används för att identifiera det optimala antalet oxidativ behandlingar för SOM borttagning. Utvärdering av metoden exempel oxidation med NaOCl visade att SOM borttagning nått sitt tak efter 3 oxidation steg oavsett om SOM innehållet i prover var låg (< 2% C) eller hög (36% C). Med varje efterföljande oxidation steg, färgen på supernatanten är sannolikt ändra från olika nyanser av lila/svart/orange till ljusare brunröd tills den ursprungliga gröngul färgen av blekmedel (dvs oreagerad utspädd NaOCl).

Slipning för att minska och homogenisera jord partikelstorlek kan förbättra spektrala kvalitet genom att minska ljusspridning från stora partiklar och inversion starkt absorberande komponenter31. Även om en maximal partikelstorlek av 250-100 µm har ansetts vara optimalt att minimera sådana artefakter32, tyder nyligen gjorda utvärderingar på att slipning bortom 2000 µm nödvändigtvis inte förbättrar spektrala kvalitet för chemometric förutsägelser33, 34. Dock mer fint marken jordprover kan fortfarande ge förbättrad (skarpare) absorbans toppar och uppvisar minskade absorbansen variabilitet33, vilket förväntas gynna spektrala subtraktioner. Å andra sidan, har vissa studier funnit att slipning (t.ex., 200 µm) kan inducera mer heterogenitet i partikelstorleksfördelning än standard siktning (t.ex., 2 000 µm)35,36. Effekten av detta på spektrala kvalitet sannolikt bero på experiment mål (t.ex., tolkning av absorbansen band, chemometric Prediktion av C fraktioner) och jord egenskaper (t.ex., textur, mineralogi)29. Det rekommenderas att effekterna av slipning storlek på subtraktion spectra bedömas för en given uppsättning jordar och mål. Det behandlade jordprov som används för mineraliska referens spectrum sannolikt har finare partikelstorlek än den motsvarande obehandlad marken på grund av störningar av aggregat av SOM borttagning.

Användning av snyggt (outspädd) jordprover är utbredd i användningen av DRIVGARN spektroskopi på grund av enklare analys och högre genomströmningen. Provspädningen är traditionellt utförs för högrena prover med IR-osynlig halide salter (t.ex., KBr, NaBr, KI). För DRIFT spektroskopiska karakterisering av den organiska delen av jordar, men är halide salt utspädning mindre fördelaktiga. Detta beror på att utspädning av prover tenderar att förbättra upplösning av absorbanserna för dominerande (mineral) komponenter men inte nödvändigtvis de som företräder mindre (organisk) komponenter5,37. Dock kan det finnas fördelar att utspädning av jordprover, som empiriskt kan utvärderas för varje prov5.

För att illustrera rollen av subtraktion faktorn (SF) utföra spektrala subtraktioner, anser subtraktion spektra erhållits för jord ett använder spektrumet av NaOCl oxiderade jorden som referens (figur 3). Som SF ökar från 0 till 1, absorbans band motsvarar mineraler minska, främst mineral ytan O-H på 3.618 cm-1 och Si-O på 1 880 och 808 cm-1. Samtidigt sträcka absorbansen ökar för band som representerar ekologiska funktionella grupper såsom alifatiska C-H på 2 920 cm-1 och potentiellt amide C-N, N-H och aromatiska C = C på 1 558 cm-1. Med ökande skalning av SF, dock dyka upp omkastningar av mineral absorbanserna såsom Si-O på 2100-1780 cm-1 . Som NaOCl oxidation bort 89% av totala SOC i en jord med 2,2% C (tabellerna 1, 2), och med tanke på att SOM uppskattas till 58% C38, en teoretisk SF 0,97 kan beräknas. Dock innebär icke-linjäritet av absorbansen över subtraktion av mineral funktioner använder detta SF (figur 3).

Ett mer praktiskt tillvägagångssätt är att operativt bestämma SF baserat på avlägsnande av en mineral absorbansen funktion av 'canceling' eller noll-ning sig ett måltavlan slutvolym. Quartz-liknande Si-O funktioner på 2100-1780 cm-1 är lämpligt mål mineral absorbanserna eftersom de uppstår från grundläggande Si-O-vibrationerna som är mindre känsliga för speglande reflektion14,37. Till exempel i figur 3, noll-ning av kvarts Si-O på 2,100 - 1 780 cm-1 antyder en SF i intervallet 0,7 - 0,8 vara mer lämpliga för att minska de dominerande mineral absorbanserna än den förhand SF 0,97 beräknas utifrån skillnaden i massa (dvs, SOM bort) mellan de två jordproverna.

Potentiella fallgropar att välja en SF inkluderar inversion och oversubtraction, båda framgår av 'negativa toppar' som liknar ett uppochnervänt peak eller ”W” form14, eller när det gäller stark subtraktion, en spegelbild av obehandlad jord spektrumet. Inversioner kan inte vara möjligt att undvika helt och hållet eftersom dessa är gemensamma för Si-O på 1.150-800 cm-1, men kan minimeras. Inversioner bör noteras som en region non-grata för spektral tolkning22,39 eftersom i dessa regioner absorbansen kan reflektera hur subtraktionen utfördes mer så än absorberande komponenter, särskilt för mindre beståndsdelar såsom OM.

Spektral programvara som medföljer moderna FTIR spektrometrar kan vara användbart att vägleda och utför subtraktioner. Nyttan av sådan programvara ligger i realtid och iterativ justering av SFs medan du visar det resulterande subtraktion spektrumet. Standard SF som föreslagits av spektral programvara bör dock betraktas med försiktighet eftersom kriterierna som programvaran inte kanske lämplig för experiment mål och prover, såsom jordar (t.ex., icke-linjära absorbans, inversion av mineral funktioner). Exempelvis den viss programvara som används för att beräkna subtraktion spectra i figur 3 (se tabell material) föreslog en SF av 1,45, baserat på Linearisering av baslinjen i resulterande subtraktion spektrum40, som missar den målet för noll-ing ut Si-O på 2100-1780 cm-1 för tolkning av organiska absorbanserna vid 1 800-1 000 cm-1. Det är viktigt att notera att de SF som föreslagits av programvara påverkas även av Vågtal området markerade för subtraktionen eftersom programvaran optimerar en subtraktion för den definiera spektral-regionen. Ytterligare fördelar med programvara inkluderar spektrala bearbetning omvandlingar (t.ex., Kubelka-Munk, potensfunktioner) för att förbättra spektrala kvalitet (t.ex., linjär baslinjer) innan du utför subtraktioner.

Mineraliska referens spektrumet kan innehålla absorbansen funktioner påverkas av metoden för SOM avlägsnande, med konsekvenser för att utföra och tolka spektrala subtraktioner. Jämförelse av skillnader bland obehandlade och föraskas mineral referens spectra (figur 2) kan hjälpa till att identifiera vilka av dessa funktioner kan bero på artefakter av SOM borttagning. I motsats till NaOCl oxidation, föraskning gav förändringar i absorbans band som representerar mineral funktionella grupper, särskilt främst består ytan och fungerar O-H (3 700-3 600 cm-1), Al-OH (915 cm-1) och Si-O (796, 521 cm-1) . Quartz-liknande Si-O band (2.100-1,780, 1 159 cm-1) inte uppvisar markanta förändringar i absorbans (intensitet eller Vågtal) för antingen behandling.

Ett exempel på överdriven subtraktion och risken för oidentifierade artefakter som härrör från metoden SOM borttagning av val är visat för föraskning vid 550 ° C i figur 4. Även om noll-ing ut kvarts-liknande Si-O på 2,100-1 780 cm-1 uppnås med en SF av 0,76, tyder en framstående W-formad inversion på 1,100-450 cm-1 på att tolkning av subtraktion spektrum bör begränsas till > 1 200 cm-1. Som referens erhölls spektrum av hög temperatur föraskning, förlust av mineral ytbehandlar OH på 3.700-3 600 cm-1 (se figur 2) innebär att dessa skarpa toppar är en artefakt som inte bör vara ett mål att nollställa. Försök att göra så kommer sannolikt att kompromissa andra spektral-regioner. Exempelvis inte erkänna funktionen på 3700-3600 cm-1 som en artefakt kunde motivera att användaren kan öka i SF att minska (SF = 1,24) eller försök att noll ut (SF = 1,51) Denna artefakt på bekostnad av alltför subtrahera de resterande spektral-regionerna, inklusive ekologisk absorbanserna vid 1800-1200 cm-1 (figur 4).

Det är också möjligt att alltför subtrahera mineral referens spektrumet, som i ett försök att förbättra en specifik band utan hänsyn till effekter på andra spektral-regioner (figur 5). Medan detta kan motiveras av experimentella syften (se diskussion), återger i exemplet i figur 5 förbättra alifatiska C-H stretch vid 3000-2800 cm-1 'till varje pris' den återstående delen av spectrana det, inklusive regionen motsvarar majoriteten av ekologiska funktionella grupper som är relevanta för SOM karakterisering på 1.800-1.000 cm-1. En indikator av överdriven subtraktion är fördjupade inversionen av spektral funktioner utöver inversion-benägen Si-O band som SF ökar från 0,81 till 1,35 till 1,72. Omvänt, ofullständig avlägsnande av dessa mål mineral band innebär att SF sannolikt otillräcklig, som bevis för subtraktionen utförs med en SF av 0,32. En SF av 0,81 idealiskt noll-outs ut målet Si-O har på 2,100-1 780 cm-1 samtidigt minimera inversioner.

Jämförelse av subtraktion spektra beräknas från referens spectra erhålls genom hög temperatur blinkar och kemisk oxidation ange gemensamma funktioner förbättras genom subtraktion på 1 750-1 350 cm-1 ascribable till ekologiska funktionella grupper, men också uppvisar skillnader på grund av ändring av mineraler och potentiellt den SOM bort (figur 6). Observera att en liknande SF erhölls för subtraktioner använda en mineral referens som erhållits genom blinkande (SF = 0,76, figur 4) kontra NaOCl oxidation (SF = 0,81, figur 5). För en viss metod SOM avlägsnande, skillnaderna är visuellt tydlig mellan subtraktion spektra av högt och lågt organiskt jordar som är mindre synliga eller frånvarande i obehandlad jord spektra (figur 6), motsvarande alifatiska C-H (stretch) vid 2916 cm-1, och keton och amide C = O med möjliga bidrag av konjugerade C = C på 1.647 cm-1, amide C-N och N-H på 1 568 cm-1, alifatiska C-H (böja) 1 427 cm-1, och fenol eller karboxylgrupp C-O på 1 275 cm-1. Det är viktigt att subtraktion spectra förstås som en operativ metod att bedöma relativa förändringar i absorbanserna som kan tilldelas till ekologiska funktionella grupper med varierande säkerligen beroende på prov typ och absorbans utbud (på grund av potentiellt överlappande band)4.

Figure 1
Figur 1. Illustration av spektral subtraktion att förbättra ekologisk band med en bakgrund spektrum av samma jord efter SOM borttagning av kemisk oxidation (NaOCl). AVDRIFT spectra samlades utan KBr utspädning av jordprov. Marken är en Mollic Xerofluvent under jordbruksdriften i Sacramento-dalen i Kalifornien (22 mg C g-1 jord). Subtraktion spectra beräknades med en subtraktion faktor 1,0. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2. Jämförelse av mineralberikade bakgrund eller referens spectra för att utföra spektrala subtraktioner erhålls genom olika metoder SOM tas bort. Jämförelser av behandlat och obehandlat jordar visas för en yta Horisont (enp) av en Mollic Xerofluvent bildas på blandade alluvium i Kalifornien, USA (22 mg C g-1). Spectra motsvarar den ursprungliga jorden utan behandling (överst), följt av jordar efter SOM avlägsnande behandlingar av kemisk oxidation (NaOCl) (mitten) och hög temperatur förbränning (550 ° C) (nederst). AVDRIFT spectra samlades på jordprover utan KBr utspädning. Grå lådor belysa mineral absorbansen band kännetecken av jord spectra, centrerad på 3620 cm-1, 1870 cm-1 och 800 cm-1. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3. Exempel på ökande subtraktion faktorn (SF) 0.1 mellanrum från 0.1 (minimal subtraktion) till 1,0 (lika subtraktion ursprungliga jord spektrum och referens spektrum). SF vikter graden som referens spektrumet (jorden A efter upphettning vid 550 ° C för 3 h) subtraheras från det ursprungliga (obehandlat) jord spektrumet (jord A). Eftersom subtraktion faktorn minskar, absorbans band motsvarar mineraler öka (3.618 cm-1, 1 880 cm-1, 808 cm-1) och band som representerar organics minska (2 920 cm-1, 1 558 cm-1, 1 240 cm-1 ). AVDRIFT spectra samlades på jordprover utan KBr utspädning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4. Exempel på överdriven subtraktion och risken för oidentifierade artefakter följd av SOM borttagningsmetod (blinkande vid 550 ° C). Även med noll-ing ut kvarts-liknande Si-O på 2,100-1 780 cm-1 (grå rutan) (SF = 0,76), en framstående W-formad inversion på 1100-450 cm-1 (pilar) antyder tolkning av subtraktion spektrum bör begränsas till > 1200 cm-1. Eftersom referens spektrumet erhölls av hög temperatur blinkar (550 ° C), förlust av mineral ytbehandlar OH på 3.700-3600 cm-1 (grå rutan) (se figur 2) visar att denna topp är ett troligt en artefakt. Inte erkänna funktionen på 3.700-3 600 cm-1 som en artefakt kan vilseleda användaren för att öka SF att minska (SF = 1,24) eller noll (SF = 1,51) spektral funktionen på bekostnad av oversubtracting återstående spektrala regionerna, inbegripet organiska absorbanserna vid 1 800-1 200 cm-1. Ytterligare artefakter från föraskning inkluderar en funktion på 2300 cm-1 (pil). AVDRIFT spectra samlades på jordprover utan KBr utspädning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5. Exempel på ideala och icke-ideala subtraktion spectra använda en mineral referens erhålls genom NaOCl oxidation. Otillräcklig subtraktion (låg SF = 0,32) innebär att framstående mineral absorbanserna (grå lådor) finns kvar. Ökande SF att nollställa quartz-liknande SiO på 2,100-1 780 cm-1 (SF = 0,81) en balans bland kriterierna för att ta bort detta mineral absorbansen som proxy för mineraliska överlappning på 1.800-1.000 cm-1, minimera omkastningar av Si-O < 1 100 cm -1, och upprätthålla en linjär originalplan. I ett försök att ytterligare förbättra alifatiska C-H-stretch vid 3000-2800 cm-1, SF kan ökas (till 1,35 eller 1,72), men detta resulterar i oversubtraction av varierande grad. Spectra samlades på neat (ingen KBr spädning) prover av avdrift spektroskopi. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6. Parat jämförelse av avdrift spektra av hög (överst) och låg (nederst) organiskt jordar skylta spektrala subtraktioner potential att förbättra tolkningen av organiska absorbanserna jämfört med de ursprungliga marken spectrana. Skillnader i absorbanserna motsvarar mineral (grå rutan) och organiska (streckad linje) absorbans band märks mellan hög och låg SOM jordar eller bland de tre uppsättningen spectra: spectra av ursprungliga (obehandlat) smutsar, och spectra som erhållits genom subtrahera en mineral referens från obehandlad jord spektrumet, använder en mineralberikade jord för mineraliska referens spectrum erhålls genom termisk förbränning ('blinkar') eller kemisk oxidation. Organiska absorbanserna som skiljer sig mellan höga och låga SOM prover kan tillskrivas alifatiska C-H (2 916 cm-1), keton och/eller amide C = O med möjliga bidrag av konjugerade C = C (1 647 cm-1), amide C-N och N-H eller möjligt aromatiska () C = C 1 568 cm-1), alifatiska C-H (1 427 cm-1), och karboxylgrupp och/eller fenol C-O (1 275 cm-1). Jordar är från Ap horisonten av Entisols som bildas från blandade alluvium i dalen Sacramento (Kalifornien, USA). Spectra samlades på neat (ingen KBr spädning) prover. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Jord SOM
innehåll
SOC
(mg g-1)
MATERIAL pH
(1:2, vatten)
lera
(mg g-1)
Sand
(mg g-1)
A Hög 22 9,4 6.5 166 133
B Låg 7 9,3 6,7 126 451
SOC, organiskt kol i marken; Material, kol-kväve-förhållande

Tabell 1. Egenskaper för jordar som används för att demonstrera metoder för spektral subtraktion att förbättra karakterisering av SOM använder DRIVGARN spektroskopi. Jordar är av liknande mineralogi men uppvisar skillnader i organiskt material koncentration. Smutsar var urvalet från Ap horisonten av Entisols bildas på blandade alluvium i Sacramento Valley i Kalifornien, USA.

Jord OM
innehåll
SOC
(mg g-1)
SOC förlust (%)
NaOCl-ox föraskas
(500 ° C)
A Hög 22 -89.1 -96.5
B Låg 7 -82.5 -97.2
SOC, organiskt kol i marken; NaOCl-oxe, natriumhypoklorit oxideras

Tabell 2. Exempel av varierande avverkningshastigheter i SOM genom förbränning jämfört med kemisk oxidation. Jordprover som behandlas för att ta bort organiskt material används för att förvärva ett mineralberikade referens spektrum för att utföra spektrala subtraktioner för att förbättra karakterisering av SOM funktionell grupp komposition använder DRIFT spektroskopi.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Metoden att ta bort SOM bär två överväganden: 1) mängden SOM tagits bort, och 2) absorbans artefakter i de resulterande mineralen referera spektrum. Det är lyckligtvis möjligt — och utan tvekan nödvändigt – att identifiera och kvantitet dessa frågor för att undvika partisk tolkningar SOM sammansättning från den resulterande subtraktion spectrumen. Idealiskt, spektrala subtraktioner skulle anställa en mineral-bara referens spektrum för att ge ett spektrum av 'ren' SOM. I verkligheten uppvisar det resulterande subtraktion spektrumet absorbanserna motsvarar SOM som är förbättrad i förhållande till det ursprungliga (obehandlat) jord-spektrumet. Detta beror på att icke-linjära absorbans mineraliska delar i jordprover förhindrar fullständig subtraktion av alla mineral absorbanserna. Artefaktiska mineral absorbanserna eller ofullständig borttagning av SOM begränsa tolkningen av specifika absorbansen funktioner eller tolkning av totala SOM poolen, respektive.

Som framgår av de exempel som visas här, tenderar de två vanliga metoderna för att ta bort SOM att få mineral referens spectra (termisk förbränning eller blinkande och kemisk oxidation) att alstra en avvägning mellan graden av SOM borttagning och spektrala artefakter. Dessa har olika konsekvenser för tolkningen av subtraktion spectra. Av samma anledning som att det används i förlusten på tändning (LOI) metod för att uppskatta SOM innehåll, hög temperatur blinkar (≥ 350 ° C) tar bort nästan alla SOM men sannolikt att förändra kristallint mineral strukturer och därmed producera förändringar i mineral absorbansen band. Enligt illustrationen, kommer dessa manifesteras som artefakter i subtraktion spektrum om spektral bidrag från mineraler före och efter inaskning skiljer sig åt. Termisk känslighet av mineraler, som kan vara mineral-specifika, tvingar en kompromiss på nyttan av spektral subtraktioner beräknas med hänvisning spectra erhålls genom föraskning, speciellt vid höga temperaturer (t.ex., 550 ° C). Mineraliska förändringar specifika för mineraliska typ och blinkande temperatur inkluderar dehydroxylation, fungerar kollaps och uttorkning41,42,43, och har dokumenterats i spektra av smutsar av olika mineralogi 10 , 28 , 44 , 45.

Information om mineralogyen av ett jordprov kan användas i förväg fastställa en blinkande temperatur som undviker eller minimerar mineral ändring (t.ex., fungerar kollapsen av lermineralet vid eller över 350 ° C). Mineraliska artefakter kan identifieras och förväntade genom att utsätta ett jordprov för föraskning vid varierande temperaturer och jämföra de resulterande spectrana med obehandlad jord och pure mineral standarder10,46. Man kan också begränsa sample set mineralogi för att upprätthålla subtraktion artefakter som resulterar från blinkar konstant över jordprover. Slutligen, lägre föraskning temperaturer (t.ex., 350 ° C) kan användas för att förbättra vissa organiska band10,47. Liknar kemiska oxidationer, användning av lägre temperaturer allmänt kommer till en kostnad av lägre28 (tabell 2) och potentiellt selektiv10 SOM borttagning.

Kemiska oxidationer i allmänhet är mindre sannolikt att orsaka mineral ändring, i synnerhet för phyllosilicates, men kan påverka andra mineraliska fraktioner såsom (hydr) järnoxider. Om känd, övervägas mineralogyen av jordprover när du väljer ett oxidationsmedel. Till exempel natriumhypoklorit kan ta bort relativt höga mängder SOM med minimal eller ingen upplösning av oxider, i motsats till andra oxiderande medel (t.ex., väteperoxid)48,49,50 , 51. dessa effekter förväntas mineralogi och/eller SOM är beroende (t.ex., en hög andel mineral-bundna organiskt material kan vara mer resistenta mot vissa men inte andra oxidationer).

Anledningen till noll-ing ut målet mineral band är en bättre strategi än att förlita sig på programvara-beräknade eller förhand SFs är att dessa kan behöva justeras om målet mineral band inte är bort helt. Som detta är vanligt för mineraliska band på grund av hög främst består koncentrationer i jordprover och således icke-linjära absorbans i spectra (t.ex., Si-O sträcka på 1,100-950 cm-1)22, särskilt för utbredd praxis att analysera snyggt prover (ingen halide salt utspädning), justering av SF bör undersökas för att minimera mineral band enligt experimentella mål.

Spektral subtraktioner erbjuder en markant förbättring på förmågan av jord spektra som används för att tolka ekologiska funktionella grupper som komponera SOM genom att förbättra tolkningsbarhet av organiska absorbanserna i regioner med överlappande mineral absorbanserna. Även ekologiska band nytta men för att vara relativt mineral-fri spektrala subtraktioner. Exempelvis alifatiska C-H stretch vid 3000-2800 cm-1 anses vara minst mineral-förbryllat organiska bandet i jord spectra22, men resolutionen kan fortfarande förbättras markant med spektrala subtraktioner52. Utmanar till tolkning av FTIR spektra av ett kemiskt komplexa prov såsom SOM inte bör vara flätas samman med begränsning av metoden eller dess ändringar (t.ex., subtraktioner) eftersom sådan komplexitet är en inneboende egenskap hos SOM, vilket också utmanar andra spektroskopiska metoder (t.ex., kärnmagnetisk resonans)1,5.

Spektral subtraktioner erbjuder en unik strategi till adress begränsningar inneboende spektroskopisk analys av SOM följd av mineral dominans av jordprover och med stark komplementaritet till andra metoder med sin egen distinkta begränsningar5, 14. Exempelvis är en separat strategi för att förbättra FTIR spektroskopi analys av SOM förbehandling av jordar med fluorvätesyra (HF) för att ta bort en majoritet av mineral komponenten. Eftersom demineralization av jordprover är rutin för NMR spektroskopiska analyser, analyseras ofta också samma HF-behandlade smutsar av FTIR spektroskopi. Demineralization med HF kan dock ge upphov till betydande förluster av SOM som äventyrar dess användbarhet som en fristående strategi53,54. Till exempel, togs nästan en tredjedel av SOM av jord A (tabellerna 1 och 2) bort under HF behandling5.

Det är viktigt att notera att nyttan av subtraktioner för analys av jordar är att förbättra potentiella ekologiska band av intresse på en särskild wavenumber(s) i stället för att ger en komplett subtraktion av alla störande mineral absorbanserna55, 56,57,58. Av denna anledning, kan subtraktioner vara mer eller mindre lämpade för särskilt spektral-regioner. Nguyen o.a. 4 erkänt att subtraktioner var benägna att vara mest användbart för att förbättra ekologisk band vid 1 800-1 600 cm-1som Reeves III22 diagnostiseras som en spektral-regionen som korrekt subtraktioner var möjligt även med artefakter från referens spectra erhålls genom hög temperatur föraskning. Mineraliska Si-O absorbanserna i denna region subtrahera exakt, i motsats till andra regioner (t.ex., 1000-400 cm-1) på grund av icke-linjära absorbans och omkastningar av mineral band såsom Si-O på 1 050-980 cm-1 37 ,59.

Ett potentiellt givande framtida arbetsområde är att systematiskt adress markens egenskaper förväntas medföra prov-specifika artefakter infördes genom metoden för SOM avlägsnande. Den största utmaningen att spektrala subtraktioner är svårigheten att få en mineral referens-spektrum som har nära eller full SOM borttagning ännu minimala eller inga artefakter från SOM borttagning. Nuvarande metoder för hög temperatur blinkar och kemisk oxidation alstra en avvägning mellan dessa två målsättningar. Att identifiera mineralogi-specifika artefakter detekterbart i FTIR spectra över ett utbud av SOM skulle borttagning villkor och jordtyper, samt rena mineral standarder, vara ett första steg mot upprättandet jord-specifika rekommendationer22. Alternativa metoder SOM tas bort har ännu inte undersökas systematiskt. Lovande borttagning metoder inkluderar låg temperatur blinkar (ofta framförd under lågt tryck) och för kemiska oxidationer, väteperoxid och natrium peroxodisulphate14.

Spektra av jordar avmineraliserat använder HF kan användas för att jämföra subtraktion spectra erhålls genom olika metoder. HF kan användas för att lösa upp och ta bort en majoritet av mineral komponenten av jordprover, ger en SOM-berikad prov. Eftersom spectrumen av en HF-behandlade jordprov ska i teorin vara liknar en subtraktion spektrum av samma jord med hjälp av ett mineral referens spektrum erhålls genom fullständig borttagning av SOM, jämföra spektra av SOM erhållits genom HF demineralization kontra subtraktion kunde användas till cross-validera absorbansen band, identifiera artefakter och öka förtroendet för spektral uppdrag5, särskilt i regionerna som är benägna att subtraktion artefakter via inversion (< 1 200 cm-1). Ofullständig eller selektiv borttagning av mineral- och organiska komponenter under HF behandling innebär dock att spectra av HF-behandlade jordar inte kan erbjuda en 'mål' spektrum av SOM, endast en operativ jämförelse som, inte olikt spektral subtraktioner, måste övervägas noggrant mot bakgrund av potentiella artefakter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgements

Vi uppskattar vägledning från Dr Randy Southard om NaOCl oxidation och olika diskussioner av spektral subtraktioner med Dr 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