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Ambiente

스펙트럼 차감으로 토양 유기 물질의 적외선 분광학 특성 개선

Published: January 10, 2019
doi:
10.3791/57464
, ,
1Department of Crop Sciences,University of Illinois Urbana-Champaign, 2Department of Land, Air and Water Resources,University of California Davis, 3Central Great Plains Resources Management Research,USDA ARS

Summary

SOM 기초가 많은 토양 기능 및 프로세스, 하지만 FTIR 분광학에 의해 그것의 특성은 종종 미네랄 간섭에 의해 도전. 설명된 방법을 경험적으로 얻은 사용 하 여 토양 스펙트럼에 미네랄 방해 미네랄 참조 스펙트럼을 빼서 FTIR 분광학에 의해 솜 분석 유틸리티를 높일 수 있습니다.

Abstract

토양 유기 물 (SOM) 기초가 수많은 토양 프로세스 및 기능. 푸리에 변환 적외선 (FTIR) 분광학 적외선 활성 유기 채권 토양의 유기 구성 요소를 구성 하는 검색 합니다. 그러나, 토양 질량 (일반적으로 < 5%)의 상대적으로 낮은 유기 물 내용 및 무기물 및 유기 기능 그룹 중 적외선 (미르) 지역 (4000-400 c m-1)에서 흡 광도 중복 engenders 상당한 방해 지배에 의해 무기물 absorbances, 도전 또는 심지어 방지 솜 특성화에 대 한 스펙트럼의 해석 스펙트럼 차감, 스펙트럼의 게시물-특별 수학 치료 미네랄 간섭을 줄일 하 고 수학적으로 미네랄 absorbances를 제거 하 여 유기 기능 그룹에 해당 하는 스펙트럼 영역의 해상도 향상 시킬 수 있습니다. 얻어질 수 있는 경험적으로 주어진된 토양 샘플에 대 한 솜을 제거 하 여 미네랄 농축 참조 스펙트럼 필요 미네랄 농축 참조 스펙트럼 솜 absorbances를 나타내는 스펙트럼을 생산 하는 토양 샘플의 원래 (치료) 스펙트럼에서 뺍니다. 일반 솜 제거 방법에는 높은 온도 연소 (‘ashing’) 및 화학 산화 포함 됩니다. SOM 제거 방법의 선택을 운반 두 고려 사항: (1) 솜의 양을 제거 하 고 미네랄의 흡수도 (2) 아티팩트는 스펙트럼 참조 따라서 결과 빼기 스펙트럼. 이러한 잠재적인 문제 수 있습니다, 그리고, 식별 및 솜의 유기 기능 그룹 구성에 대 한 스펙트럼의 그릇 된 또는 편견 해석을 피하기 위해 정량 솜 제거, 다음 결과 미네랄 농축 샘플 미네랄 참조 스펙트럼을 수집 하는 데 사용 됩니다. 여러 전략 수행 실험 목표와 샘플 특성, 특히 빼기 비율의 결정에 따라 성경에 존재 한다. 결과 빼기 스펙트럼 주의 해석을 상기 방법론에 따라 필요 합니다. 많은 토양 및 다른 환경 샘플 상당한 무기물 구성 요소가 포함 된에 대 한 감산 유기 물질 구성의 FTIR 분 광 특성을 향상 시키기 위해 강한 잠재력이 있다.

Introduction

토양 유기 물 (SOM) 질량 대부분 토양 샘플에서 사소한 구성입니다 하지만 여러 속성에 연루 및 영양소 순환 및 탄소 격리1기본 토양 기능을 처리 합니다. 솜의 구성 특성화 솜 형성 및 토양 기능2,3에 그것의 역할와 회전율에 연결할 여러 방법 중 하나입니다. 특성화 솜 구성의 한 가지 방법은 푸리에 변환 적외선 (FTIR) 분광학, 토양 및 다른 환경 샘플 (예를 들어, carboxyl C-O, 지방 족 C-H)에 유기 물을 구성 하는 기능 그룹의 탐지를 제공 하는 그러나 4. 토양의 대부분에 대 한 지배적인 무기물 구성 요소에 의해 공개 솜 기능 그룹 구성에 대 한 FTIR 분광학의 유틸리티는 도전 하는, (> 95% 일반적으로 대량) 때문에 도전 하는 강력한 무기 absorbances 또는 심각 하 게 제한 감지 및 유기 absorbances의 해석.

스펙트럼 차감 토양 샘플에서 유기 물질의 FTIR 분 광 특성을 개선할 수 있는 방법을 제공 합니다. 토양 스펙트럼에서 미네랄 absorbances을 빼서 솜 구성의 분석에 대 한 관심의 유기 기능 그룹의 absorbances 향상을 사용할 수 있습니다.

(그림 1)입니다.

표준 FTIR 분광학 (즉, 토양 스펙트럼)을 통해 스펙트럼 차감의 장점은 다음과 같습니다.

(i) 향상 된 해상도 및 일반 토양 스펙트럼에 비해 유기 흡 광도 밴드의 해석. 이 같은 광물 학 및 상대적으로 높은 솜 샘플에 대 한 비교를 제한 하는 토양 스펙트럼에 유기 밴드의 해석 흡 광도 상대적 차이 유기 기능 그룹에 차이 가정 하 여 수행할 수 있습니다, 비록 콘텐츠, 그리고 유기농 밴드에, 심지어 그 고려 상대적으로 미네랄-자유를 변화에 덜 민감한 있을 수 있습니다 (예: 지방 족 C H 스트레칭)5

(ii) 높은 솜 샘플 또는 유기 물질 농축 추출 물 분수를 넘어 토양 분석

(6 조정 iii) 필드에 mesocosm에서 실험적 치료에 의해 유도 된 변화 강조

솜의 FTIR 분석에서 스펙트럼 감산의 추가 응용 프로그램 (예:NMR 분광학, 질량 분석) 구조 및 분자 characterizations5,7, 보완 포함 식별 하는 일부는 추출 또는 파괴적인 분류8, 그리고 법의학 목적9지문 솜 구성에 의해 제거의 구성. 이 방법은 다양 한 토양, 침전 물10, 토 탄11및 석탄12,13를 포함 하 여 넘어 미네랄 유기 혼합물에 적용 됩니다.

미네랄 참조 스펙트럼을 얻기 위해 유기 물질 제거의 예를 사용 하 여 솜의 FTIR 분 광 특성을 향상 시키기 위해 스펙트럼 차감의 잠재력을 설명 하 고 이러한 미네랄을 사용 하 여 참조할 스펙트럼, 수행 및 이상적이 고 비 이상적 스펙트럼 차감 계산합니다. 이 데모 확산 반사율 적외선 푸리에 변환 (드리프트) 스펙트럼 중 적외선 영역 (미르, 4000-400 c m-1), 이것이 토양 샘플4의 분석에 대 한 광범위 한 접근으로 수집에 중점을 둡니다.

미네랄 농축 참조 스펙트럼을 얻기 위해 솜 제거의 두 예 방법 (i) 높은 온도 연소 (‘ashing’) 및 (ii) 화학 산화, 희석 나트륨 차 아 염소 산 (NaOCl)를 사용 하 여 있습니다. 이들은 일반적으로 고용된 솜 제거 방법, 보다는 오히려 규정 권고의 예는 주목 한다. SOM 제거의 다른 방법 감소 미네랄 아티팩트를 제공할 수 있습니다 및/또는 향상 된 제거 속도 (예를 들어, 낮은 온도 ashing)14. 높은-온도 ashing 토양 (예를 들어, 용 존된 유기 물, 쓰레기)에서 파생 된 OM 농축 샘플에 대 한 차감를 처음 수행 하는 방법에 대 한 참조 미네랄 풍부한 스펙트럼을 얻을 하는 데 사용 하는 첫 번째 방법 중 하나는15, 16 뒤에 대량 토양에의 응용 샘플17,18. 솜을 제거 하는 데 사용 하는 예제에서는 화학 산화 NaOCl 산화 앤더슨19에서 설명 된 방법을 기반으로 합니다. 이것 이전에 x 선 회절 (XRD) 분석, 토양 샘플에 유기 물질을 제거 하기 위한 전처리로 원래 개발 되었다 하 고 잠재적인 화학 분류 솜 안정화20, 에 민감한으로 조사 되었습니다. 21. 고 열 제거와 화학 산화 NaOCl을 사용 하 여 토양 특정 아티팩트를 수반 하 고 솜 제거14, 의 방법을 선택할 때 고려해 야 하는 스펙트럼 해석에 제한이 수 모두 22.

Protocol

1. 치료 비 드리프트 분광학 및 솜 제거에 대 한 토양 준비 < 2 mm 스테인레스 스틸 메쉬 ('순수 지구 분수')를 사용 하 여 토양 체질.참고:이 데모 비슷한 질감 이지만 총 솜 콘텐츠 (표 1)에서 거의 3 차이의 두 토양을 사용합니다. 2. 솜 화학 산화 제거: NaOCl의 예 혼합 및 pH 측정기로 측정 하는 동안 솔루션에 dropwise 1 M HCl를 추가 하 여 6 %w / v NaOCl …

Representative Results

SOM 제거의 방법은 빼기 스펙트럼의 해석에 대 한 이론 뿐 아니라 실용적인 의미를 갖는다. 예를 들어 고온 ashing에서 변경 손실 또는 봉우리의 또는으로 모습으로 증명할 수 있는 미네랄 이동 또는 미네랄 참조 스펙트럼에서 봉우리를 확대. 이러한 스펙트럼 아티팩트 1600 900 cm-1,22 해석 유기농 밴드의 손상에서 유기 밴드와 함께 오버랩의 지역에서…

Discussion

솜을 제거 하는 방법 두 가지 고려 사항이 수행: 1) 솜의 양을 제거 하 고 결과 미네랄의 흡수도 2) 아티팩트 참조 스펙트럼. 다행히 가능 하다-그리고 틀림 없이 필요한-식별 하 고 수량 이러한 편 파 해석 결과 빼기 스펙트럼에서 솜 구성의 피하기 위하여. 이상적으로, 스펙트럼 차감 ‘순수’ 솜의 스펙트럼을 미네랄 전용 참조 스펙트럼을 채택할 것입니다. 현실에서는, 결과 빼기 스펙트럼 absorbances ?…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

NaOCl 산화와 박사 Fungai F.N.D. Mukome와 스펙트럼 차감의 다양 한 토론에 닥터 랜디 Southard에서 지도 부탁 드립니다.

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
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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).
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