Migliorare la caratterizzazione spettroscopia infrarossa di materia organica del suolo con sottrazioni spettrale

Summary

SOM è alla base di molti processi e funzioni del suolo, ma sua caratterizzazione mediante spettroscopia FTIR è spesso contestata dal minerale interferenze. Il metodo descritto può aumentare l’utilità dell’analisi SOM spettroscopia FTIR sottraendo gli spettri di riferimento minerale minerale interferenze negli spettri di terreno utilizzando empiricamente ottenute.

Abstract

Materia organica del suolo (SOM) è alla base di numerose funzioni e processi del suolo. Spettroscopia di trasformata di Fourier transform a infrarossi (FTIR) rileva infrarossi attivi legami organici che costituiscono la componente organica dei suoli. Tuttavia, il contenuto di materia organica relativamente basso dei suoli (comunemente < 5% da massa) e la sovrapposizione di assorbanza dei gruppi funzionali organici e minerali della regione metà di-infrarosso (MIR) (4.000-400 cm^-1) genera interferenza notevole da dominante assorbanza minerale, impegnativo o addirittura impedendo l’interpretazione degli spettri per la caratterizzazione di SOM. Sottrazioni spettrale, un trattamento matematico post hoc degli spettri, possono ridurre l’interferenza di minerali e migliorare la risoluzione delle regioni spettrali corrispondenti a gruppi funzionali organici rimuovendo matematicamente minerale assorbanze. Ciò richiede uno spettro di riferimento arricchita di minerali, che possa essere ottenuto empiricamente per un campione di terreno dato rimuovendo som Lo spettro di riferimento arricchita di minerali viene sottratto dallo spettro originale (non trattato) del campione di terreno per produrre uno spettro che rappresenta assorbanze SOM. Metodi di rimozione SOM comuni includono combustione ad alta temperatura (‘lampeggiante’) e ossidazione chimica. Selezione del metodo di rimozione SOM trasporta due considerazioni: (1) la quantità di SOM rimosso, e manufatti (2) assorbanza nel minerale di riferimento dello spettro e così lo spettro di sottrazione risultante. Questi potenziali problemi possono e dovrebbero, essere individuati e quantificati al fine di evitare interpretazioni tendenziose o fallace degli spettri per la composizione di gruppi funzionali organici di SOM. A seguito di rimozione SOM, il campione di minerale-arricchita risultante viene utilizzato per raccogliere uno spettro di riferimento minerale. Esistono diverse strategie per eseguire sottrazioni a seconda gli obiettivi sperimentali e caratteristiche del campione, in particolare la determinazione del fattore di sottrazione. Lo spettro di sottrazione risultante richiede un’attenta interpretazione sulla base della metodologia di cui sopra. Per molti del suolo e altri campioni ambientali contenenti componenti minerali notevoli, sottrazioni hanno un forte potenziale per migliorare la caratterizzazione spettroscopica di FTIR di composizione di materia organica.

Introduction

Materia organica del suolo (SOM) è un costituente minore di massa nella maggior parte dei campioni di terreno ma è implicato in più proprietà e processi funzioni del suolo sottostante, ad esempio nutriente ciclismo e carbonio di sequestro¹. Che caratterizzano la composizione del SOM è uno di parecchi metodi per collegare formazione SOM e fatturato con i suoi ruoli in suolo funzioni^2,3. Un metodo che caratterizzano la composizione SOM è spettroscopia trasformata di Fourier a infrarossi (FTIR), che offre funzionalità di rilevamento di gruppi funzionali che costituiscono la materia organica nel suolo e altri campioni ambientali (ad es., carbossilico C-O, alifatici C-H) ⁴. Tuttavia, l’utilità della spettroscopia FTIR per rivelare la composizione di gruppo funzionale SOM è sfidato dalla componente minerale dominante per la maggior parte dei suoli (in genere > 95% massa) a causa di forti assorbimenti inorganici che sfida o limitano fortemente la rilevazione e l’interpretazione di assorbanza organici.

Spettrale sottrazioni offrono un modo per migliorare la caratterizzazione spettroscopica di FTIR di materia organica nei campioni di terreno. Sottraendo assorbanza minerale dallo spettro del terreno può essere utilizzato per migliorare le assorbanze di gruppi funzionali organici di interesse nell’analisi della composizione di SOM

(Figura 1).

Vantaggi di sottrazioni spettrale sopra standard spettroscopia FTIR (cioè, gli spettri del suolo) includono:

(i) migliorata risoluzione e interpretazione delle bande di assorbanza organico rispetto agli spettri di terreno normale. Anche se l’interpretazione delle bande organici negli spettri di terreno può essere eseguita da supponendo che le differenze relative di assorbanza sono dovute a differenze in gruppi funzionali organici, questo limita i confronti con i campioni con la stessa mineralogia e SOM relativamente alta contenuto e può essere meno sensibile ai cambiamenti nelle bande organici, anche quelli considerati per essere relativamente priva di minerali (ad es. alifatici tratto C-H)⁵

(ii) analisi dei suoli di là di alta SOM campioni o estratti organici arricchita di materia o frazioni

(iii) evidenziando i cambiamenti indotti da trattamenti sperimentali da mesocosmo a campo scale⁶

Applicazioni aggiuntive di sottrazioni spettrale in analisi FTIR di SOM includono integrando caratterizzazioni strutturali e molecolari (ad es., spettroscopia NMR, spettrometria di massa)^5,7, identificando le composizione del SOM rimosso da un’estrazione o distruttivo frazionamento⁸e fingerprinting SOM composizione per scopi forensi⁹. Questo metodo è applicabile a una vasta gamma di miscele mineral-organico di là di terreni, tra cui sedimenti¹⁰, torba¹¹e carbone^12,13.

Il potenziale di sottrazioni spettrale per migliorare la caratterizzazione spettroscopica di FTIR di SOM è dimostrato utilizzando esempi di rimozione di materia organica per ottenere spettri di riferimento minerale, e quindi, usando questi minerali fanno riferimento a spettri, esecuzione e valutazione di sottrazioni spettrale ideale e non ideale. Questa dimostrazione si concentra sulla riflettanza diffusa a infrarossi di Fourier spettri (DRIFT) raccolti nella regione metà di-infrarossa (MIR, 4.000-400 cm^-1), in quanto si tratta di un approccio diffuso per l’analisi di campioni di terreno⁴.

I metodi di due esempio di rimozione di SOM per ottenere uno spettro di riferimento arricchita di minerali sono (i) ad alta temperatura combustione (‘lampeggiante’) e (ii) chimico ossidativo, utilizzando diluite di ipoclorito di sodio (NaOCl). Si noti che questi sono esempi di metodi di rimozione SOM comunemente impiegate, piuttosto che prescrittive consigli. Altri metodi di rimozione SOM possono offrire ridotti artefatti minerali e/o migliorate rimozione tariffe (ad es., bassa temperatura lampeggiante)¹⁴. Incenerimento ad alta temperatura è stato uno dei primi metodi utilizzati per ottenere spettri di riferimento arricchita di minerali per eseguire sottrazioni, inizialmente per OM-arricchita campioni derivati da suoli (ad es., materia organica disciolta, lettiera)^{15, 16} , seguita dalla sua applicazione al terreno di massa campioni^17,18. L’ossidazione chimica di esempio utilizzato per rimuovere SOM è basato sul metodo dell’ossidazione di NaOCl descritto da Anderson¹⁹. Questo è stato originariamente sviluppato come un pretrattamento per la rimozione di materia organica nei campioni di terreno prima dell’analisi di diffrazione di raggi x (XRD) ed è stato studiato come un potenziale frazionamento chimico sensibile a SOM stabilizzazione^{20, 21}. sia ad alta temperatura rimozione ossidazione chimica utilizzando NaOCl comportano gli elementi specifici del terreno e può avere limitazioni sull’interpretazione spettrale che dovrebbe essere considerati quando si seleziona un metodo di SOM rimozione^{14, 22}.

Protocol

1. preparare il terreno per spettroscopia DRIFT Non trattata e la rimozione di SOM Passate al setaccio il terreno a < 2 mm utilizzando una mesh in acciaio inox (frazione di multa-terra).Nota: Questa dimostrazione impiega due terreni di consistenza simile, ma una differenza di quasi 3 volte nel contenuto totale di SOM (tabella 1). 2. SOM rimozione da ossidazione chimica: esempio di NaOCl Regolare il pH di 6% w/v NaOCl a pH 9.5 aggiungendo goccia a …

Representative Results

Il metodo di rimozione SOM ha implicazioni pratiche, nonché teorici per l’interpretazione degli spettri di sottrazione. Ad esempio, minerale alterazioni da incenerimento ad alta temperatura possono manifestarsi come perdite o apparenze di picchi e/o come spostato o ampliato picchi nello spettro minerale di riferimento. Questi artefatti spettrali sono inclini a verificarsi nelle regioni di sovrapposizione con bande organiche a 1.600-900 cm-1,22 compromet…

Discussion

Il metodo di rimozione SOM trasporta due considerazioni: 1) la quantità di SOM rimosso, e artefatti 2) assorbanza nel minerale risultante spettro di riferimento. È fortunatamente possibile — e probabilmente necessario — per identificare e quantità tali questioni al fine di evitare interpretazioni distorte della composizione SOM dallo spettro della sottrazione risultante. Idealmente, sottrazioni spettrale impiegherebbero un spettro di riferimento sola minerale per produrre uno spettro di som ‘puro’. In realtà, lo …

Materials

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