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Environment

वर्णक्रमीय घटाव के साथ मिट्टी कार्बनिक पदार्थ के अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी लक्षण वर्णन में सुधार

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

सोम कई मिट्टी के कार्यों और प्रक्रियाओं पर निर्भर है, लेकिन स्विचेज स्पेक्ट्रोस्कोपी द्वारा इसके लक्षण वर्णन अक्सर खनिज हस्तक्षेप द्वारा चुनौती दी है । वर्णित विधि मिट्टी स्पेक्ट्रा में खनिज हस्तक्षेप से स्विचेज स्पेक्ट्रोस्कोपी द्वारा सोम विश्लेषण की उपयोगिता को बढ़ा सकते है empirically प्राप्त खनिज संदर्भ स्पेक्ट्रा का उपयोग कर ।

Abstract

मिट्टी कार्बनिक पदार्थ (सोम) कई मिट्टी प्रक्रियाओं और कार्यों पर निर्भर है । रूपान्तर बदलने अवरक्त (स्विचेज) स्पेक्ट्रोस्कोपी का पता लगाता है अवरक्त सक्रिय कार्बनिक बांड कि मिट्टी के कार्बनिक घटक का गठन । हालांकि, अपेक्षाकृत कम कार्बनिक पदार्थ मिट्टी की सामग्री (आमतौर पर < 5% से बड़े पैमाने पर) और अवशोषित खनिज और कार्बनिक कार्यात्मक समूहों के मध्य अवरक्त (मीर) क्षेत्र में ओवरलैप (4000-400 सेमी-1) प्रमुख द्वारा पर्याप्त हस्तक्षेप दिनोंदिन खनिज absorbances, चुनौतीपूर्ण या भी सोम लक्षण वर्णन के लिए स्पेक्ट्रा की व्याख्या को रोकने । वर्णक्रमीय घटाव, स्पेक्ट्रा के एक के बाद हॉक गणितीय उपचार, खनिज हस्तक्षेप को कम करने और गणितीय खनिज absorbances को हटाने के द्वारा कार्बनिक कार्यात्मक समूहों के लिए इसी वर्णक्रमीय क्षेत्रों के संकल्प को बढ़ाने कर सकते हैं । यह एक खनिज समृद्ध संदर्भ स्पेक्ट्रम, जो सोम को हटाने के द्वारा एक दिया मिट्टी के नमूने के लिए प्राप्त empirically जा सकता है की आवश्यकता है । खनिज समृद्ध संदर्भ स्पेक्ट्रम सोम absorbances का प्रतिनिधित्व करने के लिए एक स्पेक्ट्रम का उत्पादन करने के लिए मिट्टी के नमूने के मूल (अनुपचारित) स्पेक्ट्रम से घटाया है । आम सोम हटाने के तरीकों उच्च तापमान दहन (‘ ashing ‘) और रासायनिक ऑक्सीकरण शामिल हैं । सोम हटाने विधि का चयन दो विचार किया जाता है: (1) सोम की राशि निकाल दिया, और (2) खनिज संदर्भ स्पेक्ट्रम में अवशोषक कलाकृतियों और इस प्रकार जिसके परिणामस्वरूप घटाव स्पेक्ट्रम । इन संभावित मुद्दों कर सकते हैं, और पहचान की जानी चाहिए और quantified के लिए ग़लत या स्पेक्ट्रा के कार्बनिक कार्यात्मक सोम की संरचना समूह रचना के लिए पक्षपातपूर्ण व्याख्या से बचने के लिए । सोम हटाने के बाद, जिसके परिणामस्वरूप खनिज समृद्ध नमूना एक खनिज संदर्भ स्पेक्ट्रम इकट्ठा करने के लिए प्रयोग किया जाता है । कई रणनीतियों के लिए प्रयोगात्मक लक्ष्यों और नमूना विशेषताओं, सबसे विशेष रूप से घटाव कारक के निर्धारण के आधार पर घटाव प्रदर्शन मौजूद हैं । परिणामस्वरूप घटाव स्पेक्ट्रम सावधान व्याख्या aforementioned पद्धति के आधार पर की आवश्यकता है । कई मिट्टी और अंय पर्याप्त खनिज घटकों युक्त पर्यावरणीय नमूनों के लिए, घटाव मजबूत कार्बनिक पदार्थ संरचना के स्विचेज स्पेक्ट्रोस्कोपी लक्षण वर्णन में सुधार की क्षमता है ।

Introduction

मिट्टी कार्बनिक पदार्थ (सोम) सबसे मिट्टी के नमूनों में बड़े पैमाने पर एक छोटी सी घटक है, लेकिन कई संपत्तियों में फंसा है और ऐसी पोषक तत्व साइकिल चालन और कार्बन ज़ब्ती के रूप में मिट्टी के कार्य, अंतर्निहित प्रक्रियाओं है1। निस्र्पक सोम की रचना कई दृष्टिकोणों में से एक है सोम गठन और अपनी भूमिका (ओं) के साथ कारोबार कड़ी मिट्टी कार्यों में2,3। निस्र्पक सोम संरचना का एक तरीका यह है कि मिट्टी और अंय पर्यावरणीय नमूनों (जैसे, carboxyl सी-ओ, aliphatic सी-एच) में कार्बनिक पदार्थ का गठन करने वाले कार्यात्मक समूहों का पता लगाने के लिए अवरक्त (स्विचेज) स्पेक्ट्रोस्कोपी, जो प्रदान करता है। 4. हालांकि, सोम कार्यात्मक समूह रचना खुलासा करने के लिए स्विचेज स्पेक्ट्रोस्कोपी की उपयोगिता मिट्टी के बहुमत के लिए प्रमुख खनिज घटक द्वारा चुनौती दी है (आमतौर पर > ९५% द्रव्यमान) मजबूत अकार्बनिक absorbances के कारण है कि चुनौती या गंभीर रूप से सीमा का पता लगाने और कार्बनिक absorbances की व्याख्या ।

वर्णक्रमीय घटाव मिट्टी के नमूनों में कार्बनिक पदार्थ के स्विचेज स्पेक्ट्रोस्कोपी लक्षण वर्णन में सुधार करने के लिए एक तरीका प्रदान करते हैं । मिट्टी के स्पेक्ट्रम से खनिज absorbances को घटाकर सोम रचना के विश्लेषण में रुचि के कार्बनिक कार्यात्मक समूहों की absorbances को बढ़ाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है

(चित्रा १).

मानक स्विचेज स्पेक्ट्रोस्कोपी (यानी, मिट्टी स्पेक्ट्रा) पर वर्णक्रमीय घटाव के लाभ में शामिल हैं:

(i) सामान्य मृदा स्पेक्ट्रा की तुलना में बेहतर रिज़ॉल्यूशन और कार्बनिक अवशोषक बैंड की व्याख्या । हालांकि मिट्टी स्पेक्ट्रा में कार्बनिक बैंड की व्याख्या यह मानते हुए कि अवशोषित में सापेक्ष मतभेद कार्बनिक कार्यात्मक समूहों में मतभेद के कारण कर रहे है द्वारा प्रदर्शन किया जा सकता है, यह एक ही खनिज और अपेक्षाकृत उच्च सोम के साथ नमूनों के लिए सीमा की तुलना सामग्री, और कार्बनिक बैंड में परिवर्तन करने के लिए कम संवेदनशील हो सकता है, यहां तक कि उन अपेक्षाकृत खनिज मुक्त माना जाता है (जैसे aliphatic सी एच खिंचाव)5

(२) उच्च सोम नमूनों या कार्बनिक पदार्थ से परे मिट्टी का विश्लेषण-समृद्ध अर्क या भिन्न

(iii) mesocosm से क्षेत्र तराजू6 प्रयोगात्मक उपचार द्वारा प्रेरित परिवर्तन पर प्रकाश डाला

सोम के स्विचेज विश्लेषण में वर्णक्रमीय घटाव के अतिरिक्त आवेदन संरचनात्मक और आणविक characterizations पूरक शामिल हैं (जैसे, एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी, मास स्पेक्ट्रोमेट्री)5,7, की पहचान सोम की संरचना एक निष्कर्षण या विनाशकारी अंश8से हटा दिया, और फिंगरप्रिंटिंग सोम संरचना9फोरेंसिक प्रयोजनों के लिए । यह विधि खनिज की एक विस्तृत विविधता के लिए लागू है-मिट्टी से परे कार्बनिक मिश्रण, तलछट10, पीट11, और कोयला12,13सहित ।

वर्णक्रमीय घटाव की क्षमता स्विचेज में सुधार करने के लिए सोम के स्पेक्ट्रोस्कोपी लक्षण वर्णन कार्बनिक पदार्थ हटाने के उदाहरण का उपयोग करने के लिए खनिज संदर्भ स्पेक्ट्रा प्राप्त करने का प्रदर्शन किया है, और फिर, इन खनिज संदर्भ स्पेक्ट्रा का उपयोग कर, प्रदर्शन और आदर्श और गैर आदर्श वर्णक्रमीय घटाव का मूल्यांकन. यह प्रदर्शन फैलाना प्रतिबिंबित करता है अवरक्त रूपान्तर रूपांतरण (बहाव) स्पेक्ट्रा के मध्य अवरक्त क्षेत्र में एकत्र (मीर, ४,०००-४०० cm-1), के रूप में यह मिट्टी के नमूनों के विश्लेषण के लिए एक व्यापक दृष्टिकोण है4।

एक खनिज समृद्ध संदर्भ स्पेक्ट्रम प्राप्त करने के लिए सोम हटाने के दो उदाहरण तरीकों (i) उच्च तापमान दहन (‘ ashing ‘) और (ii) रासायनिक ऑक्सीकरण, सोडियम हाइपोक्लोराइट (NaOCl) पतला का उपयोग कर रहे हैं । यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि इन सामांयतः कार्यरत सोम हटाने के तरीकों के उदाहरण हैं, बजाय नुस्खे की सिफारिशों । सोम हटाने के अंय तरीकों कम खनिज कलाकृतियों और/या बढ़ाया हटाने की दर (जैसे, कम तापमान ashing)14की पेशकश कर सकते हैं । उच्च तापमान ashing पहले तरीकों में से एक था खनिज समृद्ध संदर्भ स्पेक्ट्रा प्राप्त करने के लिए इस्तेमाल किया घटाव, शुरू में ओम-समृद्ध मिट्टी से व्युत्पंन नमूनों के लिए (उदा, भंग कार्बनिक पदार्थ, कूड़े)15, 16 ने इसके आवेदन के बाद थोक मिट्टी के नमूने लिए17,18. इसका उदाहरण रासायनिक ऑक्सीकरण सोम को हटाने के लिए इस्तेमाल किया NaOCl ऑक्सीकरण की विधि पर आधारित है19एंडरसन द्वारा वर्णित । यह मूल रूप से पहले एक्स-रे विवर्तन (XRD) विश्लेषण के लिए मिट्टी के नमूनों में कार्बनिक पदार्थ को हटाने के लिए एक इलाज के रूप में विकसित किया गया था, और एक संभावित रासायनिक अंश के रूप में जांच की गई है सोम स्थिरीकरण के प्रति संवेदनशील20, 21. दोनों उच्च तापमान को हटाने और रासायनिक ऑक्सीकरण NaOCl का उपयोग मिट्टी विशिष्ट कलाकृतियों पर जोर दे सकते है और वर्णक्रमीय व्याख्या पर विचार किया जाना चाहिए कि जब सोम हटाने की एक विधि का चयन14, 22.

Protocol

1. गैर इलाज बहाव स्पेक्ट्रोस्कोपी और सोम हटाने के लिए मिट्टी तैयार एक स्टेनलेस स्टील मेष (‘ ठीक है पृथ्वी अंश ‘) का उपयोग कर 2 मिमी < करने के लिए मिट्टी छलनी ।नोट: यह प्रदर्शन समान बनावट के दो मिट्टी लेकि…

Representative Results

सोम हटाने की विधि व्यावहारिक के रूप में के रूप में अच्छी तरह से घटाव के स्पेक्ट्रा की व्याख्या के लिए सैद्धांतिक निहितार्थ है । उदाहरण के लिए, उच्च तापमान ashing से खनिज परिवर्तन हानि या चोटियो…

Discussion

सोम को हटाने की विधि दो विचार किया जाता है: 1) सोम की राशि निकाल दिया, और 2) परिणामी खनिज संदर्भ स्पेक्ट्रम में अवशोषक कलाकृतियों । यह सौभाग्य से संभव है-और यकीनन आवश्यक-पहचान करने के लिए और मात्रा में इन मु?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

हम डॉ Fungai F.N.D. Mukome के साथ NaOCl ऑक्सीकरण और वर्णक्रमीय घटाव के विभिंन विचार विमर्श पर डॉ रेंडी Southard से मार्गदर्शन की सराहना करते हैं ।

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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