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.
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.
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.
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 result…
The authors have nothing to disclose.
Vi uppskattar vägledning från Dr Randy Southard om NaOCl oxidation och olika diskussioner av spektral subtraktioner med Dr Fungai F.N.D. Mukome.
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 |