Summary
SOM の基礎となる多くの土壌機能とプロセス、しかし、赤外分光法による特性評価は鉱物の干渉によって頻繁挑戦です。この方法は、経験的に得られた土壌スペクトルを使用してミネラル干渉鉱物参照スペクトル減算することによって赤外分光法による SOM 解析の有用性を増やすことができます。
Abstract
土壌有機物 (SOM) は、多数の土プロセスと機能に基づいています。フーリエ変換の赤外線 (FTIR) 分光法は、土壌の有機成分を構成する赤外活性有機結合を検出します。ただし、土壌質量 (一般 < 5%) の低い有機物含有量とミネラルや有機官能基中赤外 (ミール) 地域 (4,000-400 cm-1) の吸光度オーバー ラップは支配的で実質的な妨害をもたらすミネラル吸収特性、挑戦や SOM の特性評価のためのスペクトルの解釈をも防止。スペクトル引き算、スペクトルの非定型の数理的な処理は鉱物の干渉を低減でき、ミネラル吸収特性を数学的に外して有機官能基に対応するスペクトル領域の解像度を向上させます。これは特定の土壌サンプルの SOM. を削除することによって経験的得られるミネラル豊富な参照スペクトルが必要です。ミネラル豊富な参照スペクトルは、SOM カラムベッドを表すスペクトルを生成する土壌サンプルの元 (未処理) スペクトルから差し引かれます。一般的な SOM の除去方法には、高温燃焼 ('灰') と化学的酸化が含まれます。SOM の除去方法の選択を運ぶ 2 つの考察: SOM の (1) の量を削除、および鉱物の吸収 (2) 成果物参照スペクトルそしてこうして結果の差分スペクトル。これらの潜在的な問題し、識別する必要があります、SOM の有機官能基組成のスペクトルの誤りや偏った解釈を避けるために定量化SOM の除去、次結果ミネラル豊富なサンプルを使用して、ミネラル参照スペクトルを収集します。実験的目標とサンプル特性、特に減算係数の決定に応じて減算を実行するいくつかの戦略が存在します。結果の差分スペクトルには、前述の方法論に基づく慎重な解釈が必要です。加減算では多くの土壌および相当なミネラル成分を含むその他の環境試料は、有機物組成の FTIR 分光特性を改善するために強い可能性があります。
Introduction
土壌有機物 (SOM) ほとんどの土壌試料の質量によって微量の成分は、複数のプロパティに関与している、栄養循環、炭素隔離1などの基盤となる土壌関数の処理します。SOM の構図を特徴付ける SOM 形成と土壌機能2,3でそのロールの回転をリンクするいくつかのアプローチの 1 つです。SOM 組成の特性の 1 つの方法はフーリエ変換赤外線 (FTIR) 分光土壌と (例えば、カルボキシル基の C-O 脂肪族 C H) その他の環境試料中の有機物を構成する官能基の検出を提供しています4ただし、SOM 機能グループ構成を明らかにするための赤外分光法の有用性は大部分の土壌は、支配的な鉱物コンポーネントによって挑戦 (> 95% 通常質量) 強い無機結果に挑戦するためまたは。深刻な有機結果の検出と解釈を制限します。
スペクトル引き算は、土壌試料中の有機物の FTIR 分光特性を改善する方法を提供しています。土壌スペクトルからの鉱物の吸光度を差し引くことを使用と SOM 構成の分析に関心の有機官能基の吸収特性を強化
(図 1)。
スペクトル引き算標準赤外分光法 (すなわち、土壌スペクトル) 上の利点があります。
(i) 解像度と通常土壌のスペクトルと比較して有機吸収バンドの解釈を改善しました。有機土壌スペクトル バンドの解釈は、有機官能基の違いによる吸光度の相対的な違いがによって実行することができます、これは同じ鉱物と比較的高い SOM サンプルとの比較を制限します。コンテンツ、および有機バンド、さらにそれらは比較的ミネラル フリーの変化により敏感かもしれない (例えば脂肪族 C-H ストレッチ)5
(ii) 高 SOM サンプル、有機物質濃縮抽出物や分数を超えて土壌の分析
(6のスケール iii) フィールド メソコスムから実験的治療による変化を強調表示
SOM の FTIR 解析におけるスペクトル減算の追加アプリケーションは、構造および分子特性 (例えば、核磁気共鳴分光法、質量分析法)5,7を補完するを識別する、抽出または破壊的な分別8、法医学目的9指紋 SOM 構成して削除 SOM の組成物。このメソッドは、さまざまな土壌、堆積物の10、泥炭11、石炭12,13などを超えて鉱物-有機混合物に適用されます。
有機物除去の例を使用してミネラル参照スペクトルを取得する SOM の FTIR 分光特性を改善するためにスペクトル減算の可能性を発揮し、スペクトルを実行するを参照これらのミネラルを使用し、理想的な非理想的なスペクトル引き算を評価しています。このデモは、拡散反射赤外フーリエ変換 (ドリフト) スペクトルの土壌サンプル4の分析のための広範なアプローチ、中赤外領域 (ミール、4,000 400 cm-1) の収集に焦点を当てください。
ミネラル豊富な参照スペクトルを得るため SOM 除去の 2 つの例の方法は、(i) 高温燃焼 ('灰') と希薄水酸化ナトリウム (NaOCl) を使用して、(ii) 化学酸化です。規定された推奨事項ではなく、一般的に使用される SOM 除去方法の例のとおり、ことに注意してください。SOM の取り外しの他の方法は鉱物不具合の軽減を提供することがあります・除去率 (例えば低温灰化)14を強化します。土壌 (例えば、溶存有機物こみ) から派生した OM 濃縮サンプルの最初加減を実行するためにミネラル豊富な参照スペクトルを取得するために使用する最初の方法の一つであった高温アッシング15、 16土壌を一括への応用に続いてサンプル17,18。SOM を削除するために使用例の化学酸化は、NaOCl 酸化アンダーソン19で説明されている方法に基づいています。これはもともと x 線回折 (XRD) 分析の前に土壌試料中の有機物を除去するための前処理として開発され、SOM 安定化20,に敏感な潜在的な化学的分別として検討されています。21. 両方高温除去、NaOCl を用いた化学酸化土壌固有のアーティファクトを伴うことができ SOM 除去14,の方法を選択するときに考慮すべきスペクトルの解釈に限界があります。22。
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Protocol
1. 非投与ドリフト分光と SOM 除去のため土を準備します。
- < 2 mm ステンレス鋼メッシュ ('罰金地球分数') を使用して土をふるい。
注: このデモでは、テクスチュアが SOM コンテンツ (表 1) の合計の約 3 倍の違いの 2 つの土壌を採用しています。
2 化学的酸化による SOM 除去: NaOCl の例
- 混合し、pH メーターで測定しながら、ソリューションに滴下 1 M 塩酸を追加する pH 9.5 w/v 6 %naocl の pH を調整します。
注: ほとんどの市販の漂白剤 (例えばクロロックス) 質と濃度 (通常 3 ~ 7% NaOCl v/v) に適していますが、pH > 12。NaOCl 酸化有機物は pH 依存性、土壌サンプル19、23の使用は推奨 pH 9.5 と、ほとんど市販の漂白剤の pH 調整に必要です。 - 4 g 土壌に 25 mL NaOCl (6 w/v、pH 9.5) を追加 (ふるいにかけ、乾燥空気) 50 mL の円錐管と sonication によってミックス (600 秒、出力周波数 20 kHz、電源 200 W)。
- 湯浴 (15 分、80 ° C) 酸化率を高めるために混合物を孵化させなさい。
- 遠心分離機 (例えば、粗い織り目加工の土の 4,000 × g で 15 分; 室温) 明確な上澄みを取得します。手動で廃棄物コンテナーに上清をデカントします。
注: (保守的、no の酸化処理およびこうして NaOCl の消費は無しと仮定して) 清 NaOCl の濃度は家庭用の市販の漂白剤と同じです。細かい織り目加工の土は、明確な上澄みを取得する与えられた遠心速度 (例えば、4,000 × g) で長く遠心分離の時間 (例えば、追加の 15-30 分まで) を必要があります。 - 2 回の合計 3 つの酸化ステップ 2.3 と 2.4 の手順を繰り返します。
- 最後の酸化ステップ後に、土壌や水平シェーカー (120 rpm) を使用して 5 分のミックスに 20 mL の脱イオン H2O (dH2O) を追加します。4,000 × g、室温で 15 分間遠心します。合計 3 つの治療を繰り返します。
- ヘラと dH2O ホヤの瓶から、必要に応じて抽出を使用し、プラスチック遠心管の底から土壌ペレットを洗うボート (または高表面積の別の容器) の重量を量る。絶乾 (最大 60 ° C、48 h) 気乾状態に。
- 土壌サンプルを乾燥すると、一度、C/N アナライザー24を使用して燃焼ガス ・ クロマトグラフィーによって総有機炭素含有量を定量化します。有機炭素濃度酸化治療前後の差としての SOM の除去を計算します。
注: 有機物と土壌構造の損失のため土になります、かさぶたになりやすい特に低砂含有量と土壌の。穏やかな圧力を適用および/または手の痂皮の土壌を再統一する研削する必要があります。土壌無機炭素 (すなわち、炭酸塩) 燃焼ガス クロマトグラフィー25,26有機炭素を定量化するための追加の手順が必要です。
3. 高温燃焼による SOM 除去
- 土壌の測定 1 〜 2 g (ふるいにかけ、乾燥空気)、ヘラを使って磁器るつぼに。
- まっフル炉を使用して 3 時間 550 ° C で加熱します。
注: これは比較的高温燃焼を用いた SOM 除去のメソッドの例です。代替手段 (例えば温度) の議論を参照してください。
4. ドリフト分光
注: この例では、テーブルの資料に記載されている FTIR 分光装置ソフトウェア使用されます。
- 未処理の土とミネラル豊かな標準試料 (SOM を削除する処理) のスペクトルを取得します。
-
土壌試料を準備します。
- (オプション) サンプルを希釈します。
- 使用分析グレード KBr (またはその他のハロゲン化物塩) 105 ° C で乾燥し、残留水分を除去する乾燥器で保存されています。土壌サンプルは、純粋な化合物の < 1% と対照をなして、1-33% の範囲で効果的な KBr 希釈を実現できます。
- 100-400 mg の最終的なサンプル サイズの土壌と KBr をミックスします。たとえば、3% 希釈のため軽く 60 の KBr の 60 mg 12 mg の乾燥サンプルを挽くめのう乳鉢と乳棒で s。'で隠す' サンプルを完全に均質に KBr の 328 mg。
- KBr 社とシリアルの希薄を使用すると、高い最終希釈倍率 (< 1%) を取得できます。レプリケート希釈まで徹底再現、特に希釈サンプル使用 101-102以来きちんとしたサンプルよりも少ない土壌を実行します。
- 粉砕・篩分法 (例えば、60 # フルイを使って 250 μ m) の手によって類似した堅さに未処理と処理土壌試料を粉砕します。
注: 比較手に研削、大きい一貫性によって促進されるオートメーション、特に回転ボールミルによる。ただし、SOM (例えば、るつぼボリュームによる灰の 1-3 g) の除去手段に使用する土の量が比較的少ない、手の粉砕がありますより実用的です。
- (オプション) サンプルを希釈します。
-
バック グラウンドのスペクトルを収集します。
- KBr (土壌マトリックス効果を模倣する土壌 (4.1.1.2 を参照) と同じように地上) のサンプルを読み込むサンプル カップやプレートも。
注:「バック グラウンド スペクトル」はミネラル豊富な参照スペクトルとは異なる (4.1.3 を参照) 加減算を行うために使用します。バック グラウンド スペクトルは、試料のスペクトルのコレクション中に大気を削除するソフトウェアおよび他の周囲の吸光度によって使用されます。すべてのソフトウェアの説明は選択したソフトウェアに固有であり、他のソフトウェアに適合させる必要があります。 - N2ガス収集条件のより大きい一貫性を保つのため、CO2- と H2O ごしごし洗われた空気 (パージのガスの発電機) を経由して分光器チャンバーをパージします。たとえば、周囲雰囲気下でスペクトルのコレクションは、湿度と吸光度スペクトルの変化を引き起こすことができる CO2の小さな変動を伴なうかもしれない。
注: 新しい分光器湿度効果を減らすことができます潜在的ミラー (例えば金、SiC) があります。 - 同じ検出器および集録パラメーターなどの設定スキャン数、波数範囲、および試料のスペクトルを収集するために使用する解像度を使用してバック グラウンド スペクトルを収集します。
- 実験のためドロップ ダウン メニューを開いて目的の実験的コレクション方法 (例えばアクイジション ・ モード) を選択します。
注: 選択した分光計を使用してこの例で (材料の表を参照)、選択したメソッドがiS50 メインのコンパートメント。 - スペクトル取得パラメーターを選択する実験のセットアップアイコンをクリックします。
- [収集] タブで、スキャン解像度数が実験の目的に適しているを確認してください。たとえば、きちんとした土壌のドリフト スペクトルの一般的な設定は 4 cm-1解像度で 128 のスキャンです。[Ok]変更を保存するをクリックします。
- バック グラウンドのスペクトルを収集する収集背景アイコンをクリックします。土壌 (処理し、未処理) のスペクトルのコレクションで使用するためバック グラウンド スペクトルを保存します。
- 実験のためドロップ ダウン メニューを開いて目的の実験的コレクション方法 (例えばアクイジション ・ モード) を選択します。
- KBr (土壌マトリックス効果を模倣する土壌 (4.1.1.2 を参照) と同じように地上) のサンプルを読み込むサンプル カップやプレートも。
-
土壌試料のスペクトルを取得します。
注: 背景および (未処理の土、ミネラル豊富な土) のサンプルを収集するために同じアクイジション ・ パラメーターを使用してスペクトル。捕捉時間と解像度で検出器の違いをもたらすトレードオフ採取時期およびスペクトルの質に影響を与える。128 512 スキャンから土壌スペクトル範囲の典型的なスキャン番号。スキャンの数を減らすことができ、複製の平均合計ターゲット スキャン番号を取得します。たとえば、2 つ分析複製 - 2 つの井戸に読み込まれた同じサンプル - が 64 件のスキャンを使用して収集できます 128 スキャンの合計の平均と。- 土壌サンプルをロードします。一貫性のある荷重を確保し、表面粗さを最小限に抑えるため、サンプルをサンプル カップに注ぐ (よく) 唇やカップのふちの上少しオーバフィ リングのポイントに。その後、表面滑らかなそのカップでサンプルの土の高さ (例えばかみそり) 平刃を使用して、カップに土はカップの縁と同じ高さ。
注: ために赤外光の拡散反射モードで土壌などのマトリックスとの相互作用、サンプル読み込みに影響を与えるドリフト スペクトル。サンプルはない突きや充填密度吸光度に影響するので、圧力を受ける必要があります。サンプルの細かい粒子の大きさにより、表面 (4.1.2.1 を参照) の平滑性を向上。分光モデル、サンプル密度に応じてサンプル カップを埋めるために必要なサンプル量は 600 mg まで 300 から及ぶ。プレートの井戸の場合にこれはよくサイズによっても異なります。井戸の数を持つプレートは、小さな井戸を持ってし、以下のサンプルが必要になります。たとえば、96 ウェル プレート一般的がある 360 μ l よくボリューム 24 ウェル プレート 3.4 mL のもボリュームがあるに対し - 未処理と処理土壌試料のスペクトルを収集します。(4.1.2.3.4 を参照)、バック グラウンド スペクトルが以前に収集の最初のチェックが使用されます。実験のセットアップをクリックします。[収集] タブで、指定した背景ファイルを使用を選択し、バック グラウンド スペクトル ファイルをロードします。[Ok]変更を保存するをクリックします。土のスペクトルのコレクションを開始するには、収集のサンプルをクリックします。
注: は、異なる井戸または散乱アーティファクトでもマトリックス密度、表面粗さ、可変性を考慮して複製のスペクトルを収集するサンプル カップで同じサンプルを再ロードします。
- 土壌サンプルをロードします。一貫性のある荷重を確保し、表面粗さを最小限に抑えるため、サンプルをサンプル カップに注ぐ (よく) 唇やカップのふちの上少しオーバフィ リングのポイントに。その後、表面滑らかなそのカップでサンプルの土の高さ (例えばかみそり) 平刃を使用して、カップに土はカップの縁と同じ高さ。
-
土壌試料を準備します。
- スペクトル減算を実行します。
注:減算係数 (SF)未処理の土のスペクトルに対応する波数で結果から減算される鉱物参照スペクトルの吸光度を程度の重量を量る。SOM を特徴付ける有機結果の解像度の改善に焦点を当てた加減は、(例えば4,000 に 650 か 400 cm-1、検出器によって) ほとんど分光器によって与えられるミールの全体を利用することをお勧めします。次の手順は、SF を決定するための経験的方法をについて説明します。すべてのソフトウェアの説明は選択したソフトウェアに固有であり、他のソフトウェアに適合させる必要があります。- ゼロの最小化またはターゲット鉱物のピークを減らすに減算係数 (SF) を変更するソフトウェア プログラムの減算オプションを使用してピークおよび/または鉱物のピークをおよび/または線形基準14を最大化します。
- 同時に未処理と処理土のスペクトルを選択し、減算のアイコン (画面の上部中央); 選択最初のスペクトル (未処理の土) は 2 番目のスペクトル (処理土) の減算をスペクトルになります。
- (画面の左側) の SF を増減する垂直切り替えバーや矢印を使用します。プレビュー減算スペクトルの変化を調べる。
- この反復的な機能を使用して、代表の結果で説明するように、適切な SF を決定します。SF 数値が切り替えバーの中央に表示されます。SF の範囲の値を調整するには、ファイナーとCoarserボタンを使用します。
- 追加(画面右上) をクリックして、ウィンドウに計算引き算スペクトルをロードします。
注: カラムベッドはミネラルの大半以来ほとんどの (ないすべて) の土壌試料中の濃度と直線的だ通常すべての鉱物のピークを削除することは不可能鉱物のピークが反転しにくいと考えられてお勧めします (例えば石英のような 2,100 1,780 cm-1に Si O)14ターゲット ピークとして SF を調整することによってゼロを使用します。 - 減算された未処理の土スペクトルから同じ差分スペクトルの独立した計算を許可する十分な詳細で実行する方法の記録及び報告の方法論の詳細を含む: (1) 減算用波数領域 (2)SF や範囲の SFs 使用、および (3) (鉱物) のピークまたは地域ゼロ ing のアウトを対象とします。
注: 引き算の信頼性の良いテストは、それを同じユーザーや独立して報告された減算パラメーターを使用して別のユーザーが改めて実行しては。
- スペクトルを解釈します。
- スペクトルの解釈分析、有機官能基4結果の特定の割り当てに、結果の差分スペクトルを解釈し利用可能なさまざまなリソースを使用してを実行します。
注: 多変量解析 (例えば、主成分分析)、土壌分析27とも法医学フィンガー プリント9ケモメトリック予測差分スペクトルの他の用途があります。
- スペクトルの解釈分析、有機官能基4結果の特定の割り当てに、結果の差分スペクトルを解釈し利用可能なさまざまなリソースを使用してを実行します。
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Representative Results
SOM の除去の方法は、減算スペクトルの解釈の理論と同様、実用的な意味を持ちます。たとえば、ミネラル高温アッシング装置からの変更は損失または出演としておよび/またはピークとして現れることはシフトまたは鉱物参照スペクトルのピークを拡大します。これらのスペクトルの成果物は、1,600 900 cm-1、22有機バンドの解釈を損なうことで有機バンドと重複の領域で発生する傾向があります。鉱物の高温アッシング (≥ 550 ° C)、次のバンド図 2で明らかにされてオハイオ州の損失が含まれて一般的な変更は、3,700 3,600 cm-1に、ピークの損失でピークし、格子 Si O や 1,050 800 cm-1Al O ピークの変化します。その一方で、化学的酸化を用いた SOM 除去鉱物の機能グループを維持する傾向があるし、ためリスクの少ないアーティファクト (ディスカッションを参照してください)。ただし、これは通常低い SOM 除去28例の土 (表 2) の証拠としての費用で来る。これは SOM プールの合計よりも小さい差分スペクトルの有機官能基組成の解釈を制限します。
化学酸化は、一般的に鉱物の構造を保持し、参照スペクトルの吸光度人工機能でき、減算の結果を回避ために鉱物の背景を供給するため灰に魅力的な代替手段をすることができます。スペクトル14,22。たとえば、土灰 (図 2) によって変更されるミネラル吸収機能を維持しながら灰化 (テーブル 2) が 97% と比較して NaOCl 酸化による土壌有機炭素 (SOC) の 89% を失った。その一方で、NaOCl 耐有機物はできません SOM という不完全な潜在的に選択的な除去の特徴5,29,30減算の注意深い解釈を必要とします。スペクトル14。SOM を定量化各酸化治療の損失は、SOM 除去の酸化治療の最適な数を識別するために使用できます。NaOCl を用いた例酸化法の評価を示した SOM 除去が SOM サンプル量が低かったかどうかに関係なく 3 つの酸化ステップ後頭打ちになった (< 2 %c) または高 (36 %c)。各連続酸化ステップ上澄みの色は漂白剤の元の緑がかった黄色の色まで紫/黒/オレンジ色の様々 な色合いから明るい赤茶色に変更する可能性があります (すなわち、未反応希薄 NaOCl)。
減らすし、土粒子サイズを均質化するために研削大きな粒子、強く引きつけられるコンポーネント31の反転からの光散乱を減らすことによってスペクトル品質を向上できます。最近の評価が 2000年 μ m を超えて研削ケモメトリック予測33、スペクトル品質改善必ずしもされないことを示唆しているにもかかわらず 250 100 μ m の最大粒径は、そのような成果物32を最小限にするが最適と考えられている、 34。しかしより細かく地面の土壌サンプルはまだ強化 (シャープ) 吸光度のピークをもたらすことができる、展示減少吸光度変動は33、スペクトル引き算の利益のために期待されます。その一方で、いくつかの研究は、研削 (例えば、200 μ m) よりも (例えば、2,000 μ m) 標準ふるい35,36粒度分布により不均一性を引き起こすことができる発見しました。このスペクトルの品質に及ぼす影響は実験目的 (例えば、吸収バンド、C 分数のケモメトリック予測の解釈) に依存し、土壌の特性 (例えばテクスチャ、鉱物)29可能性が高い。土壌と目標の与えられたセットの減算スペクトル上のサイズを研削の効果が評価されることをお勧めします。鉱物参照スペクトルの処理土の試料は SOM の除去による集計の混乱のため対応する未処理の土より細かい粒子の大きさを持っている可能性が。
きちんとした (原液) 土壌試料の使用解析と高スループット レートやすのためのドリフトの分光学の使用で広まっています。サンプル希釈は従来の赤外線目に見えないハロゲン化物塩 (例えばKBr、NaBr、氣) を用いた高純度サンプルの実行します。ドリフト土壌中の有機成分の分光特性評価、ただし、ハロゲン化物塩希釈は不利です。これは、サンプルの希釈は、支配的な (ミネラル) 成分はなく、必ずしもマイナー (有機) 成分5,37を表すそれらの結果の解像度を向上させる傾向があるためにです。それにもかかわらず、各サンプル5経験的評価できる土壌試料の希釈化する利点があります。
減算係数 (SF) の役割を示すためスペクトル減算を実行するには、(図 3) の参照として NaOCl 酸化土壌のスペクトルを使用して土壌の減算スペクトル取得を検討してください。SF は、0 から 1 に増加、ミネラルに対応するバンドの吸光度は特に鉱物表面 O-H で 3,618 cm-1と 1,880 と 808 cm-1に Si O、減らします。同時に、脂肪族 C-H など有機官能基を表すバンドの吸光度が増加ストレッチ 2,920 cm-1潜在的芳香族 C = C や N H アミド C-N 1,558 cm-1に。SF のスケーリングを増加、ただし、2100-1780 年 cm-1に Si O などミネラル吸収特性の逆転が出現します。NaOCl 酸化除去されます (表 1, 2), 2.2 %c 土壌総 SOC の 89% と 0.97 の理論的 SF を計算できます SOM は 58% C38と推定される、ことを考える。しかし、吸光度の非直線性は、この SF (図 3) を用いた鉱物の特徴の減算よりの結果します。
実用的な方法は運用 'キャンセル' または 0-ing のターゲット ピーク アウトによるミネラル吸収機能の除去に SF を決定します。2100-1780 年 cm-1に水晶のような Si O 機能は、彼らが反射しにくい反射14,37基本の Si O 振動から生じる適切なターゲット鉱物カラムベッドです。図 3、石英 Si O のゼロ ing でたとえば、2,100-1,780 cm-1を示唆、SF の違いから計算されます、先験的SF 0.97 のより支配的な鉱物カラムベッドを削減に適してする 0.8 0.7 - の範囲内大量の (すなわち、SOM 削除) 2 つの土壌サンプルの間。
SF を選択する際に潜在的な落とし穴の逆転や oversubtraction、両方証明 '負のピーク' 逆さまピークまたは"W"形14のようなまたは強力な減算、未処理の土スペクトルのミラー イメージの場合があります。逆転は、これらは 1,150 800 cm-1Si O のために共通が、最小化することができますので全体を回避できない場合があります。逆転は、減算の実行方法これらの地域で吸光度を反映することができますのでスペクトル解釈22,39地域非人物として注意してください吸収成分、特に未成年のためよりもオブジェクト モデルなどの成分
モダンな FTIR 分光器に伴うスペクトル ソフトウェアは、ガイドし、減算を実行することができます。そのようなソフトウェアのユーティリティは、結果の差分スペクトルを見ながら SFs のリアルタイムと反復的な調整であります。ただし、既定スペクトル ソフトウェアによって提案された SF をソフトウェア条件は実験目標と (例えば、非線型の吸光度、ミネラル機能の反転) 土壌などのサンプルのために適切ではない可能性が慎重にみなすべきであります。たとえば、図3 減算スペクトルを計算するために使用する特定のソフトウェア結果減算スペクトルに40、ミスするベースラインの線形化に基づいて 1.45 の SF を提案 (材料の表を参照)、2100-1780 年 cm-1 1,800 1,000 cm-1に有機の結果の解釈のために Si O を 0-ing の目的。ソフトウェアによって提案された SF が波数範囲のソフトウェア最適化の定義された周波数域に減算ために、減算の選択によっても影響されますに注意してくださいすることが重要です。ソフトウェアの付加的な利点には、減算を実行する前に光の質 (例えば、線形基準) を改善するためにスペクトル処理変換 (例えばクベルカ-ムンク、電源機能) にはが含まれます。
鉱物参照スペクトルには、SOM の除去を実行して、スペクトル引き算の解釈のための結果による影響吸光度機能が含まれています。未処理と灰ミネラル参照スペクトル (図 2) の間で違いを比較は、これらの機能であるアーティファクト SOM 除去のためを識別できます。NaOCl 酸化と対照をなして灰生成鉱物の機能グループ、特に珪酸表面層間 O H (3,700 3,600 cm-1)、アル-オハイオ州 (915 cm-1) と Si O (796, 521 cm-1) を表す吸収バンドの変化.石英のような Si O バンド (2,100-1,780、1,159 cm-1) 吸光度 (強度または波数) のいずれかの治療で著明な変化は見られませんでした。
過の減算の例と正体不明アーティファクト SOM の除去法の選択からのリスク 550 ° c図 4で灰化に成功しました。2,100 1,780 cm-1に水晶のような Si O うちゼロ ing 実現 0.76 の SF、にもかかわらず 1,100 450 cm-1に著名な W 字の反転を示唆減算スペクトルの解釈は > 1,200 cm-1に限定する必要があります。参照として高温アッシング、3,700 3,600 cm-1に表面の OH (図 2を参照) ことを意味これらの鋭いピークを 0 ターゲットをならないアーティファクト ミネラルの損失によってスペクトルが得られました。しようとしたら、他の分光地域を妥協して可能性が高い。たとえば、認識していない 3700 3600 cm-1に機能削減する SF の増加するユーザーの動機付けは、成果物として (SF = 1.24) または 0 にするための試み (SF = 1.51) 過剰以外のスペクトル領域を減算することを犠牲にしてこのアーティファクト1800 1200 cm-1 (図 4) で有機の結果を含みます。
また、過剰他の分光地域 (図 5) に及ぼす影響を考慮することがなく特定のバンドを強化する試みのように鉱物参照スペクトルを減算することが可能です。図 5の例では '絶対' 3000 2800 cm-1に脂肪族 C-H ストレッチの強化のレンダリング、スペクトルの残りの部分を uninterpretable、これは (説明参照) 実験的な目的によって正当化できる可能性があります、1,800 1,000 cm-1に SOM 解析に関連する有機官能基の大半に対応する領域を含みます。過の減算の指標が反転しやすい Si O を超えて、スペクトル機能の深化の反転を 1.35 1.72 に 0.81 から SF としてバンドが増加します。逆に、これら鉱物バンドの不完全な除去を意味 SF がある 0.32 の SF と減算のための証拠として、不十分な実行します。0.81 の SF 理想的なターゲット Si O を 0 アウト機能 2,100 1,780 cm-1に逆転を最小限に抑えながら。
高温アッシングと化学的酸化によって得られる参照スペクトル減算スペクトルの比較を示す 1,750 1,350 cm-1有機官能基に起因する減算によって強化された一般的な機能だけでなく鉱物の変質による相違点を展示し、SOM の量が (図 6) を削除する可能性があります。似たような SF が加減算灰化によって得られる鉱物の参照を使用して得られたメモ (SF = 0.76、図 4) NaOCl 酸化対 (SF = 0.81、図 5)。SOM 除去法が特定の違いは、以下の表示または不在である高低有機物の土壌の減算スペクトルの視覚的に明らかに脂肪族 C-H (ストレッチ) に対応する未処理の土スペクトル (図 6)2916 cm-1、およびケトン、1,275 cm-1に 1,568 cm-1、脂肪族 C-H (ベンド) C O カルボキシル基やフェノール 1,427 cm-1で可能な出資 1,647 cm-1アミド C N N H で共役 C = C の C = O アミド。確かにサンプルの種類と吸光度範囲に応じてさまざまな有機機能グループに割り当てられる可能性があります結果の相対的な変更を評価する運用方法として減算スペクトルの理解が不可欠だ (ために可能性がありますバンドを重複する)4。
図 1。化学酸化 (NaOCl) SOM 除去に続いて同じ土壌のバック グラウンドのスペクトルを用いた有機バンドを強化するスペクトル減算のイラスト。土壌サンプルの KBr 希釈せずドリフト スペクトルを集めました。土 (22 mg C g-1土) カリフォルニア州のサクラメント バレーの農業の使用の下で Mollic Xerofluvent であります。スペクトル減算 1.0 の減算係数で算出しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2。SOM の除去方法によって得られたスペクトル減算を実行するため、ミネラル豊富な背景または参照スペクトルの比較。カリフォルニア、米国 (22 mg C g-1) の混合の沖積層上に形成した Mollic Xerofluvent の表層 (p) の処理と未処理の土の比較が表示されます。治療 (上) せず元の土壌に対応するスペクトル土壌化学的酸化 (NaOCl) (中央) と高温燃焼 (550 ° C) (下) の SOM の除去の治療を次に続きます。ドリフト スペクトルは、KBr 希釈せず土壌サンプルを収集しました。灰色の箱は、土スペクトル、3620 cm-1、1870 cm-1 800 cm-1を中心とのミネラル吸収バンドの特性を強調表示します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3。1.0 (元の土壌スペクトルと参照スペクトルの等しい減算) (最小減算) 0.1 から 0.1 間隔で減算係数 (SF) を大きくした例。SF は重量参照スペクトル (加熱後 A を土壌、3 h の 550 ° c) は元 (未処理) の土スペクトル (土 A) から減算する程度です。減算係数が低下すると、ミネラルに対応する吸光度バンド (3,618 cm-1、1,880 cm-1, 808 cm-1)、上げ下げ有機物を表すバンド (2,920 cm-1、1,558 cm-1、1,240 cm-1).ドリフト スペクトルは、KBr 希釈せず土壌サンプルを収集しました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4。過の減算と正体不明アーティファクト SOM 除去法 (灰 550 ° c) からのリスクの例。2,100 1,780 cm-1 (グレーのボックス) で水晶のような Si O うちゼロ ing でも (SF = 0.76)、1100 450 cm-1 (矢印) で著名な W 字の反転を示唆減算スペクトルの解釈に限定する必要があります > 1200 cm-1。このピークは、たぶん 3,700 3600 cm-1 (グレーのボックス) で鉱物表面 oh 損失 (図 2を参照) を示す参照スペクトルは、高温の灰 (550 ° C) によって得られた、のでアーティファクト。アーティファクトは減らすために SF を増加するユーザーを欺くことができます、3,700 3,600 cm-1に機能を認識していない (SF = 1.24) またはゼロ (SF = 1.51) 有機を含む残りの分光地域の oversubtracting を犠牲にしてこのスペクトル機能しかし 1,800 1,200 cm-1で。灰から追加のアーティファクトは、2300 cm-1 (矢印) の機能です。ドリフト スペクトルは、KBr 希釈せず土壌サンプルを収集しました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 5。NaOCl 酸化によって得られる鉱物の参照を使用して、非理想的な理想的な減算スペクトルの例。不十分な減算 (SF を低 = 0.32) 著名な鉱物カラムベッド (グレーのボックス) がまだ存在していることを意味します。2,100 1,780 cm-1に水晶のような SiO をゼロに SF の増加 (SF = 0.81) Si O の逆転を最小限に鉱物の重複の 1,800 1,000 cm-1、プロキシとしてこの鉱物の吸光度を削除する条件の中でバランスが取れて < 1,100 cm-1に、線形のベースラインを維持します。3,000 2,800 cm-1に脂肪族の C H ストレッチをさらに強化しようとして、SF (1.35 または 1.72) を増やすことができますが、様々 な程度の oversubtraction でこの結果します。スペクトルは、ドリフトによるきちんとした (KBr 希釈) サンプルを収集しました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 6。高 (上) と低 (下) 有機物土壌元土壌スペクトルと比較して有機の結果の解釈を改善するためにスペクトル減算の可能性を展示のドリフト スペクトルの比較をペアします。鉱物 (グレーのボックス) と有機 (破線) 吸収バンドに対応する結果の違いは明らかにハイとローの SOM 土壌間やスペクトルの 3 つのセットの間で: 元 (未処理) 土壌のスペクトルとによって得られる熱燃焼 ('灰') または化学的酸化によって得られるミネラル参照スペクトルのミネラル豊富な土壌を使用して未処理の土スペクトルからの鉱物の標準を減算します。脂肪族 C-H (2,916 cm-1)、ケトンおよび/または共役 C = C (1,647 cm-1)、アミド C N と N H および/または可能な芳香族 C = C (の可能な貢献とアミド C = O SOM サンプルを高低差有機の結果と思われる1,568 cm-1)、脂肪族 C-H (1,427 cm-1) とカルボキシル基やフェノール C O (1,275 cm-1)。土壌は、サクラメントの谷 (米国カリフォルニア州) の混合の沖積層から形成される Entisols の Ap層からです。スペクトルはニート (KBr 希釈) サンプルを収集しました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
| 土壌 | ソム コンテンツ |
SOC (mg g-1) |
露見 | pH (1:2、水) |
粘土 (mg g-1) |
砂 (mg g-1) |
| A | 高 | 22 | 9.4 | 6.5 | 166 | 133 |
| B | 低 | 7 | 9.3 | 6.7 | 126 | 451 |
| SOC、土壌有機炭素;炭素窒素比を露見 | ||||||
テーブル 1。ドリフト分光法を用いた SOM の特性を改善するためにスペクトル減算法を示すために使用する土壌のプロパティ。土壌と同様の鉱物、有機物濃度の違いを展示します。土壌は、サクラメントの谷のカリフォルニア、米国の混合の沖積層上に形成された Entisols の Ap層から採取しました。
| 土壌 | OM コンテンツ |
SOC (mg g-1) |
SOC 減量 (%) | |
| NaOCl ox | 灰化 (500 ° C) |
|||
| A | 高 | 22 | -89.1 | -96.5 |
| B | 低 | 7 | -82.5 | -97.2 |
| SOC、土壌有機炭素;酸化ナトリウム次亜塩素酸、NaOCl ox | ||||
表 2。SOM の化学酸化と燃焼による除去率の変化の例です。土壌有機物を削除する処理は、ドリフト分光法を用いた SOM 機能グループ組成の特性を改善するためにスペクトル減算を実行するためのミネラル豊富な参照スペクトルを取得する使用されます。
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Discussion
SOM を除去する方法を運ぶ 2 つの考察: SOM の 1) の量を削除し、結果の鉱物 2) 吸光度成果物参照スペクトル。幸いにも可能です-間違いなく必要な -を識別するこれらの結果の差分スペクトルから SOM 組成の偏りのある解釈を避けるために問題量と。理想的には、スペクトル引き算 '純粋な' SOM のスペクトルをもたらすミネラル専用の参照スペクトルを採用するだろう現実には、結果の差分スペクトルは SOM に対応する強化された元 (未処理) の土スペクトルを基準にしている結果を展示します。これは、土壌試料中の鉱物成分の非線型の吸光度は、すべての鉱物の吸収特性の完全な差分を防ぐためにです。SOM の不完全な除去および/または人工鉱物カラムベッドそれぞれ特定の吸収機能の解釈または合計の SOM プールの解釈を制限します。
ここで示す例で明らかなよう鉱物参照スペクトル (熱燃焼や灰、化学的酸化) を取得、SOM を除去するための 2 つの一般的な方法は、SOM 除去の程度とスペクトルの成果物との間のトレードオフを生じさせる傾向があります。これらは減算スペクトルの解釈のための明確な結果があります。点火 (LOI) 法損 SOM コンテンツを推定する使用されること同じ理由で、高温アッシング (≥ 350 ° C) ほぼすべての SOM を削除しますが、鉱物の結晶構造を変更してこうしてミネラル吸収バンドに変化をもたらす可能性が。ここで示すように、これらは灰化の前後に鉱物からスペクトルの貢献が異なる場合減算スペクトルの人工物としてマニフェストされます。鉱物に固有にすることができます、鉱物の熱感受性は、特に高温 (例えば、550 ° C) で、灰によって得られる参照スペクトルと計算スペクトル引き算のユーティリティの妥協を強制します。鉱物変化特定鉱物の種類と灰化温度には、水酸基、中間層の崩壊、脱水41,42,43, と多様な鉱物学の土壌のスペクトルに記載されています。10,28,44,45。
土壌サンプルの鉱物情報は事前回避または鉱物の変化 (例えば、350 ° C 以上でのカオリナイトの中間層の崩壊) を最小化する灰化温度を決定する使用できます。鉱物の成果物を識別して、温度の変化と未処理の土と純粋なミネラル基準10,46のスペクトルと結果のスペクトルを比較することで灰を土のサンプルをかけることによって予想されます。サンプル セット鉱物は、土壌試料の灰化定数に起因する減算アーティファクトを維持するために 1 つも制約可能性があります。最後に、いくつかの有機バンド10,47を強化する灰化温度が低い (例えば、350 ° C) を使用できます。化学的酸化反応と同様に、低温の使用は一般的に低い28 (表 2) と潜在的選択10ソム除去の費用で来る。
化学酸化は一般の層状ケイ酸塩、特に鉱物変質を起こしにくいが酸化水酸化鉄など他の鉱物画分に影響を与える可能性があります。知られている、酸化剤を選択する際の土壌サンプルの鉱物が考慮必要があります。たとえば、ナトリウム次亜塩素酸が最小限の SOM の比較的高い金額やその他酸化剤 (例えば過酸化水素)48,49,50と対照をなして、無機酸化物の溶出がないを削除できます。,51. 鉱物学および/または SOM に依存するこれらの効果が期待される (例えば、鉱物バインド有機物の割合が高い可能性がありますいくつかが他の酸化を受けにくく)。
理由は、ターゲット鉱物バンドをゼロ ing はソフトウェア計算に依存したり、先験的SFs より良い戦略は、これらのターゲット鉱物バンドが完全に削除されない場合に調整する必要があることです。これは、土壌試料中高珪酸濃度と従って非線形吸光度スペクトル (例えば、1,100 950 cm-1に Si O ストレッチ)22、特にのための分析の広範な実践のための鉱物のバンドの共通としてきちんとしたサンプル (ハロゲン化物塩希釈)、SF の調整は、実験的な目的に従って鉱物バンドを最小限に抑えるために検討必要があります。
スペクトル引き算は、土壌スペクトル重複ミネラル吸収特性と地域で有機結果の解釈可能性を向上させることにより SOM を構成する有機官能基を解釈するための能力に顕著な改善を提供しています。でも有機のバンドがする比較的ミネラル無料スペクトル引き算から寄与できます。たとえば、土壌スペクトル22、少なくとも鉱物混同有機バンド 3,000 2,800 cm-1に脂肪族 C-H ストレッチと言えますが、その解決を著しくスペクトル引き算52と改善するまだ。このような複雑さは、SOM の固有属性なので、SOM をメソッドまたは (例えば加減算) その変更の制限と融合しない必要がありますように化学的に複雑なサンプルの FTIR スペクトルの解釈に挑戦するも他の分光学的アプローチ (例えば、核磁気共鳴分光法)1,5に挑戦します。
スペクトル引き算 SOM の分光分析に固有の制約に対応するユニークな戦略を提供する独自の個別制限5、その他の方法に強力な相補性と土壌試料の鉱物の優位性から生じる 14。たとえば、SOM の FTIR 分光分析を改善するために別のアプローチは、フッ化水素酸 (HF) ミネラル成分の大部分を削除すると土壌の前処理です。土壌試料の脱灰 NMR 分光分析のためのルーチンとは、以来、同じ HF 処理した土壌も赤外分光法によって分析されます。ただし、HF と脱灰は、スタンドアロン アプローチ53,54としてその有用性を危険にさらす SOM の多額の損失を生むことができます。たとえば、ほぼ SOM 土 A の (テーブル 1と2) の 3 分の 1 は心不全治療5中に削除されました。
土壌分析の加減算のユーティリティは干渉鉱物カラムベッド55、すべての完全な差分を降伏するのではなく、特定の wavenumber(s) で関心の潜在的な有機バンドを強化することが重要です。 56,57,58。このため、特定の分光地域の加減算をもっとまたはより少なく適しています可能性があります。グエンら4認識引き算された 1,800 1,600 cm-1、リーブス III22診断からアーティファクトがあっても正確な加減算ができたの分光地域で有機バンドを高めるために最も有用である可能性が高い高温灰化によって得られるスペクトルを参照します。この地域で鉱物の Si O カラムベッド減算非線形吸光度と 1,050 980 cm-1 37 Si O など鉱物バンドの逆転のための他の地域 (例えば、1,000 400 cm-1) とは対照的に正確に、59。
今後の作業の可能性のある実り領域体系的にアドレス土壌を投げかけたサンプル固有のアーティファクト SOM 除去法によって導入されたことです。スペクトル引き算する主な課題は近くまたは完全除去、SOM を持つ鉱物参照スペクトルを得ることが困難まだ最小限または SOM 除去からアーティファクトがありません。高温アッシングと化学的酸化の現在の方法は、これらの 2 つの目的間のトレードオフを生みます。SOM の範囲にわたって鉱物学固有のアーティファクト FTIR スペクトル検出を識別する除去条件、土壌タイプ、純粋なミネラル基準になる土壌固有の推奨事項22を確立するための第一歩。SOM 除去方法まだ体系的に調査する必要があります。有望な除去方法があります (多くの場合、低圧下で実行されます) 低温灰化と化学的酸化反応、水素過酸化ナトリウム peroxodisulphate14に。
HF を使用して脱灰土のスペクトルは、様々 な方法でスペクトル減算を比較する使用できます。HF は、溶解・降伏 SOM 濃縮サンプル土壌試料の鉱物成分の大部分を除去使用できます。HF 処理した土壌試料のスペクトル理論のようになります。 SOM、SOM 減算対 HF 脱灰によって得られたスペクトルを比較すると完全に削除によって得られるミネラル参照スペクトルを用いた同一の土の減算スペクトル以来吸収バンドをクロス検証、成果物を識別する、反転 (< 1,200 cm-1) 経由で減算アーティファクトになりやすい地域で特にスペクトル割り当て5信頼を高めるためでした。しかし、心不全治療中にミネラルや有機成分の不完全なおよび/または選択的な除去を意味 HF 処理した土壌のスペクトルが SOM のみ運用比較にスペクトル減算とは異なり必要がありますの '目的' スペクトルを提供しないかもしれない潜在的な成果物の観点から慎重に検討します。
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
博士ランディ サウサード NaOCl 酸化と博士 Fungai F.N.D. Mukome でスペクトル引き算の様々 な議論の指導お願い申し上げます。
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 |
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