Amélioration de la spectroscopie infrarouge Characterization of Soil Organic Matter avec soustraction spectrale

Summary

SOM sous-tend plusieurs processus et fonctions du sol, mais sa caractérisation par spectroscopie FTIR est souvent remis en cause par des interférences de minéraux. La méthode décrite peut augmenter l’utilité de SOM l’analyse par spectroscopie FTIR en soustrayant des spectres de référence minéraux minéraux interférences dans les spectres de sol à l’aide obtenues empiriquement.

Abstract

Matière organique du sol (SOM) sous-tend de nombreuses fonctions et processus pédologiques. Spectroscopie de transformée de Fourier transform infrared (FTIR) détecte infrarouge actif liens organiques qui constituent la composante organique des sols. Toutefois, la teneur en matière organique relativement faible des sols (communément < 5 % en masse) et le chevauchement d’absorbance des groupes fonctionnels organiques et minérales dans la région de (MIR) de l’infrarouge moyen (4 000-400 cm^-1) engendrent une entrave importante de dominants absorbances minérales, contester ou même empêcher l’interprétation des spectres pour la caractérisation de SOM. Soustractions spectrales, un post-hoc de traitement mathématique des spectres, peuvent réduire interférence minéral et améliorer résolution des régions spectrales correspondant aux groupes fonctionnels organiques en enlevant mathématiquement les absorbances minérales. Cela nécessite un spectre de référence enrichie en minéraux, qui peut être obtenu empiriquement pour un échantillon de sol donné en enlevant som Le spectre de référence enrichie en minéraux est soustrait le spectre original (non traité) de l’échantillon de sol pour produire un spectre représentant les absorbances de SOM. Les méthodes courantes de suppression de SOM sont combustion à haute température (« incinération ») et l’oxydation chimique. Sélection de la méthode d’élimination de SOM transporte deux considérations : (1) le montant de SOM supprimé et artefacts d’absorbance (2) dans le minéral de référence du spectre et donc le spectre résultant de la soustraction. Ces problèmes potentiels peuvent et devraient, être identifiés et quantifiés afin d’éviter des interprétations fallacieuses ou biaisées des spectres pour composition de groupes fonctionnels organiques de soms. Après le retrait de SOM, l’échantillon enrichi en minéraux qui en résulte est utilisé pour recueillir un éventail de minéraux de référence. Plusieurs stratégies existent pour effectuer les soustractions selon les buts expérimentaux et les caractéristiques de l’échantillon, plus particulièrement la détermination du facteur de soustraction. Le spectre résultant de la soustraction nécessite une interprétation minutieuse fondée sur la méthode susmentionnée. Pour beaucoup de sol et autres échantillons environnementaux, contenant les éléments minéraux importants, soustractions ont fort potentiel pour améliorer la caractérisation spectroscopique de FTIR de composition de la matière organique.

Introduction

Matière organique du sol (SOM) est un constituant mineur en masse dans la plupart des échantillons de sol mais est impliquée dans plusieurs propriétés et traite des fonctions des sols sous-jacents, tels que les nutriments cyclisme et carbon sequestration¹. Caractériser la composition du SOM est un des plusieurs approches pour relier formation SOM et chiffre d’affaires avec ses rôles dans le sol des fonctions^2,3. Un moyen de caractériser la composition SOM est transformée de Fourier (FTIR) spectroscopie infrarouge, qui offre la détection des groupes fonctionnels qui constituent la matière organique dans les sols et autres échantillons environnementaux (p. ex., carboxyle C-O, aliphatique C-H) ⁴. Toutefois, l’utilité de la spectroscopie FTIR pour révéler la composition du groupe fonctionnel SOM est contestée par l’élément minéral dominant pour la majorité des sols (typiquement > 95 % masse) en raison de fortes absorbances inorganiques qui remettent en question ou sévèrement limite détection et interprétation des absorbances organiques.

Soustractions spectrales offrent un moyen d’améliorer la caractérisation spectroscopique de FTIR de matière organique dans des échantillons de sol. En soustrayant les absorbances minérales de la gamme de sol peut être utilisé pour améliorer les absorbances des groupes fonctionnels organiques d’intérêt dans l’analyse de la composition de SOM

(Figure 1).

Avantages de soustraction spectrale sur la spectroscopie FTIR standard (c’est-à-dire, les spectres de sol) sont :

(i) amélioré la résolution et l’interprétation des bandes d’absorbance organiques comparés aux spectres de sol normal. Bien que l’interprétation des groupes organiques dans les spectres de sol peut être effectuée en supposant que les différences relatives d’absorbance sont dues aux différences dans les groupes fonctionnels organiques, cela limite les comparaisons aux échantillons avec la même minéralogie et SOM relativement élevé contenu et peuvent être moins sensibles aux changements de groupes organiques, même ceux considérés comme relativement indemne de minéraux (par ex. aliphatiques stretch de C-H)⁵

(ii) l’analyse des sols au-delà des échantillons SOM élevés ou des extraits enrichis en matières organiques ou des fractions

(iii) mettre en évidence les changements induits par les traitements expérimentaux de mésocosme au champ échelles⁶

Des applications supplémentaires de soustractions spectrales en analyse FTIR de SOM incluent complétant la caractérisation structurale et moléculaire (par exemple, la spectroscopie RMN, spectrométrie de masse)^5,7, identifier les composition de SOM enlevé par une extraction ou fractionnement destructeur⁸et composition de SOM empreintes digitales à des fins médico-légales⁹. Cette méthode s’applique à une grande variété de mélanges Organo-minéral au-delà des sols, sédiments¹⁰, tourbe¹¹et charbon^12,13.

Le potentiel des soustractions spectrales afin d’améliorer la caractérisation spectroscopique de FTIR de SOM est démontré à l’aide d’exemples d’élimination des matières organiques afin d’obtenir des spectres de référence minéral, et ensuite, à l’aide de ces minéraux de référence spectres, exécution et évaluation des soustractions spectrales idéales et non idéales. Cette démonstration met l’accent sur la réflexion diffuse infrarouges de Fourier des spectres (DRIFT) recueillis dans la région de l’infrarouge moyen (MIR, 4 000-400 cm^-1), tel qu’il s’agit d’une approche généralisée pour l’analyse des échantillons de sol⁴.

Les méthodes de deux exemples de suppression de SOM pour obtenir un spectre de référence enrichie en minéraux sont combustion à haute température (i) (« incinération ») et (ii) chimique oxydation, l’utilisation diluée d’hypochlorite de sodium (NaOCl). Il est à noter que ce sont des exemples de méthodes d’épilation SOM couramment utilisés, plutôt que des recommandations normatives. Autres méthodes d’élimination de SOM peuvent offrir des artefacts minéraux réduits et/ou améliorations suppression des taux (par exemple, des cendres de basse température)¹⁴. Des cendres de haute température a été une des premières méthodes utilisées pour obtenir des spectres de référence enrichie en minéraux pour effectuer les soustractions, initialement pour échantillons enrichis OM dérivées des sols (p. ex., la matière organique dissoute, litière)^{15, 16} , suivi de son application au sol de vrac échantillons^17,18. L’oxydation chimique exemple utilisée pour enlever le SOM est basée sur la méthode d’oxydation de NaOCl décrite par Anderson¹⁹. Cela a été développé à l’origine comme un prétraitement pour éliminer les matières organiques dans les échantillons de sol avant l’analyse de la diffraction des rayons x (DRX) et a été étudié comme un éventuel fractionnement chimique sensible à SOM stabilisation^{20, 21}. enlèvement haute température et oxydation chimique à l’aide de NaOCl peuvent entraîner des artefacts de sol spécifique et ont des limitations sur l’interprétation spectrale que l’on devrait considérer lors du choix d’une méthode de SOM enlèvement^{14, 22}.

Protocol

1. préparer le sol pour la spectroscopie de dérive Non traitées et enlèvement de SOM Tamisez le sol < 2 mm à l’aide d’une maille d’acier inoxydable (la « fraction de fine-terre »).Remarque : Cette démonstration emploie deux sols de texture similaire mais une différence de près de 3 fois dans la teneur totale en SOM (tableau 1). 2. SOM enlèvement par oxydation chimique : exemple de NaOCl Ajuster le pH de 6 % p/v NaOCl à pH 9,5…

Representative Results

La méthode d’élimination de SOM a des implications théoriques mais aussi pratiques pour l’interprétation des spectres de soustraction. Par exemple, minérale des altérations de la calcination de haute température peuvent se manifester par des pertes ou des apparences de sommets et/ou déplacé ou élargi des pics dans le spectre de référence minéral. Ces artefacts spectrales ont tendance à se produire dans les régions de chevauchement avec des bandes organiques à 1 600-900…

Discussion

La méthode d’élimination SOM exécute deux considérations : 1) le montant de SOM supprimé et artefacts 2) absorbance dans le minéral résultant du spectre de référence. Il est heureusement possible — et sans doute nécessaire — pour identifier et la quantité de ces questions afin d’éviter des interprétations biaisées de la composition de SOM du spectre résultant de la soustraction. Idéalement, soustraction spectrale emploierait un spectre de référence minérale seule pour produire un spectre de so…

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