利用光谱减法改进土壤有机质的红外光谱表征

摘要

som 是许多土壤功能和过程的基础, 但 ftir 光谱对其特性的表征往往受到矿物干扰的挑战。该方法利用经验资料, 利用经验资料, 减去土壤光谱中的矿物干扰, 提高了 fsir 光谱分析的效用。

摘要

土壤有机质 (som) 是许多土壤过程和功能的基础。傅里叶变换红外光谱检测构成土壤有机成分的红外活性有机键。然而, 土壤有机质含量相对较低 (通常 < 按质量划分为 5%), 矿物和有机官能团在中红外 (mir) 区域 (4, 000-400 cm-1) 中吸收重叠,因此主要土壤的有机质含量很大。矿物吸收, 具有挑战性, 甚至阻止解释 som 表征的光谱。光谱减法是一种对光谱的事后数学处理, 它可以通过数学去除矿物吸收物, 减少矿物干扰, 提高与有机官能团相对应的光谱区域的分辨率。这就需要一个富矿参考光谱, 可以通过删除 som 为给定的土壤样本获得经验。从土壤样品的原始 (未经处理的) 光谱中减去富矿参考光谱, 以产生代表 som 吸收率的光谱。常见的 som 去除方法包括高温燃烧 ("灰化") 和化学氧化。som 去除方法的选择有两个考虑因素: (1) som 去除量, (2) 矿物参考光谱中的吸收伪影, 从而产生减法谱。这些潜在的问题可以而且应该被识别和量化, 以避免对 som 有机官能团组成的光谱进行错误或有偏见的解释。在 som 去除后, 生成的富矿样品用于收集矿物参考光谱。根据实验目标和样本特征, 有几种执行减法的策略, 最显著的是减法系数的确定。由此产生的减法谱需要根据上述方法进行仔细的解释。对于许多含有大量矿物成分的土壤和其他环境样品, 减法在改善 ftir 对有机物成分的光谱表征方面具有很强的潜力。

引言

土壤有机质 (som) 是大多数土壤样本中质量较小的成分, 但与土壤功能的多种特性和过程有关, 如养分循环和碳固存¹。表征 som 的组成是将 som 的形成和周转与其在土壤功能^{2、3 中}的作用联系起来的几种方法之一。描述 som 成分的一种方法是傅里叶变换红外光谱 (ftir), 它提供了对土壤和其他环境样品 (如羧基 c-o、脂肪族 c-h) 中构成有机物的功能基团的检测⁴. 然而, ftir 光谱在揭示 som 官能团成分方面的效用受到大多数土壤 (通常 > 95% 质量) 的主要矿物成分的挑战, 因为这些土壤具有很强的无机吸收性, 这也是挑战的原因。严重限制有机吸收的检测和解释。

光谱减法为改善土壤样品中有机物的 ftir 光谱表征提供了一种途径。从土壤光谱中减去矿物吸收, 可用于在 som 成分分析中提高感兴趣的有机功能基团的吸收率

(图 1)。

与标准 ftir 光谱 (即土壤光谱) 相比, 光谱减法的优点包括:

(i) 与正常土壤光谱相比, 有机吸收带的分辨率和解释得到改进。虽然可以通过假设由于有机官能团的不同而导致土壤光谱中的有机带的相对差异来解释土壤光谱中的有机带, 但这限制了对具有相同矿物学和相对较高 som 的样品的比较。含量, 并可能不太敏感的有机带的变化, 即使那些被认为是相对无矿物质的 (例如脂肪性 c-h 拉伸)⁵

(二) 分析高 som 样品或富含有机物质的提取物或馏分以外的土壤

(三) 突出从中观到场尺度的实验处理引起的变化⁶

光谱减法在 som ftir 分析中的其他应用包括补充结构和分子特征 (例如, 核磁共振光谱、质谱)^5、7, 识别通过萃取或破坏性分馏去除 som 的组合^{物 8}, 并为法医目的对 som 组合^{物进行指纹识别 9}。该方法适用于土壤以外的各种矿物-有机混合物, 包括沉积物¹⁰、泥炭¹¹和煤炭^12、13。

通过去除有机物以获得矿物参考光谱的实例, 证明了光谱减法在改善 fsom ftir 光谱表征方面的潜力, 然后利用这些矿物参考光谱, 执行和评估理想和非理想光谱减法。本演示的重点是在中红外区域采集的漫反射红外傅立叶变换 (drift) 光谱 (mir, 4, 4, 400 厘米-¹), 因为这是分析土壤样本的一种普遍方法⁴。

获得富矿参考光谱的 som 去除的两种示例方法是 (i) 高温燃烧 ("灰化") 和 (二) 使用稀次氯酸钠 (naocl) 进行化学氧化。需要注意的是, 这些都是常用的 som 删除方法的示例, 而不是规范性建议。其他 som 去除方法可减少矿物伪影和/或提高去除率 (例如, 低温灰化)¹⁴。高温灰化是最初用于获得矿物富集参考光谱以进行减法的方法之一, 最初用于从土壤 (如溶解的有机物、垃圾)^中获得的富 om 样品^{。 16}其次是其在散装土壤样品中^的应用 17^,18。用于去除 som^的化学氧化示例是基于 anderson 19 描述的 naocl 氧化方法。这最初是作为在 x 射线衍射 (xrd) 分析之前去除土壤样品中有机物的预处理而开发的, 并被研究为对 som 稳定20敏感的潜在化学分馏^,21. 使用 naocl 进行高温去除和化学氧化都可能产生土壤特有的伪影, 并对光谱解释有限制, 在选择 som^去除14的方法时应考虑到这一点^,22岁

研究方案

1. 准备未经处理的钻井技术和 som 去除土壤

1. 使用不锈钢网 ("细土分数") 将土壤筛 < 2 毫米。
   注: 本演示采用了两种质地相似的土壤, 但 som 总含量相差近 3倍 (表 1)。

2. 化学氧化去除 som: 氯化钠的例子

1. 在溶液中向下添加 1m hcl, 同时与 ph 计混合和测量, 将 ph 值为 6% w/v 调整到 ph 9.5。
   注: 大多数商业漂白剂 (如clorox) 适用于质量和浓度 (通常为 3-7 naocl vw), 但 ph 值 > 12。由于 naocl 对有机物的氧化依赖于 ph, 并且建议将 ph 9.5 用于土壤样品^19,23, 因此有必要调整大多数市售漂白剂的 ph 值。
2. 在50毫升锥形管中加入25毫升 naocl (6% wv, ph 9.5) 到4克土壤 (筛, 风干) 中, 并通过声纳混合 (600s, 输出频率20千赫, 功率 200 w)。
3. 将混合物在热水浴池中 (15分钟、80°c) 中培养, 以提高氧化率。
4. 离心获得明确的上清液 (例如, 15分钟, 4, 000xg 的粗糙纹理土壤; 室温)。将上清液手动放入废物容器中。
   注: 上清液中的 naocl 浓度 (保守地假定不氧化, 因此不消耗 naocl) 与家用商用的商用漂白剂相同。在给定的离心速度 (例如4, 000xg) 下, 较精细的纹理土壤可能需要更长的离心时间 (例如, 最多 15-30) 才能获得清晰的上清液。
5. 重复步骤2.3 和2.4 两次, 共执行三个氧化步骤。
6. 最后一步氧化后, 在土壤中加入20毫升去离子化 h2o (dh2o), 用水平振动台 (120 转/分) 混合 5分钟.在4000xg 和室温下离心15分钟。对总共三种治疗重复此操作。
7. 根据需要, 从喷瓶中取出一个铲子和_dh2o,将离心管底部的土粒提取并冲洗出来, 放入塑料称重船 (或另一个表面积高的容器) 中。风干 (最高 60°c, 48小时) 到风干状态。
8. 土壤样品干燥后, 使用 c/n 分析仪²⁴通过燃烧-气相色谱法量化有机碳总含量。计算 som 在氧化处理前后的有机碳浓度差异。
   注: 由于有机质和土壤结构的丧失, 土壤容易发生结块, 特别是对含沙量低的土壤而言。可能需要施加温和的压力和手磨, 使硬壳土重新均质。无机碳土壤 (即碳酸盐) 需要额外的步骤, 通过燃烧-气相色谱 25^,26对有机碳进行量化。

3. 高温燃烧去除 som

1. 用铲子将 ~ 1-2 克的土壤 (筛过、风干) 测量成瓷熔炉。
2. 使用马弗炉在550°c 加热3小时。
   注: 这是在相对较高的温度下使用燃烧进行 som 去除的示例方法。请参阅有关替代程序 (例如温度) 的讨论。

4. 驱动光谱学

注: 在本例中, 将使用材料表中列出的 ftir 光谱仪软件。

1. 采集未经处理的土壤和矿物富集参考样品的光谱 (经过处理以去除 som)。
   1. 准备土壤样本。
      1. 稀释样品 (可选)。
         1. 使用在105°c 下干燥并储存在干燥器中的分析级 kbr (或其他卤化物盐), 以去除残留水分。对于土壤样品, 有效的 kbr 稀释可在1-33 的范围内实现, 而纯化合物的有效 kbr 稀释可在1% 的范围内实现。
         2. 混合土壤和 kbr 的最终样本大小为0-400 毫克。例如, 对于3% 的稀释, 用琼脂砂浆和毛刺轻轻研磨12毫克的干样品与60毫克的 kbr 为60秒。然后, ' 折叠在 ' 328 毫克的 kbr, 以完全同质的样品。
         3. 使用 kbr 连续稀释, 以获得较高的最终稀释率 (< 1%)。进行复制稀释, 以确保重现性, 特别是因为稀释后的样品使用的土壤比整齐的样品少^{10 1-10 2.}
      2. 通过手工研磨和筛分将未经处理和处理的土壤样品磨成类似的一致性 (例如, 使用 60 # 筛子250微米)。
         注: 与手磨相比, 自动化, 特别是球磨, 有助于提高一致性。然而, som 去除过程中使用的土壤量相对较小 (例如, 由于熔炉体积而产生的灰化为1-3 克) 意味着手磨可能更实用。
   2. 收集背景频谱。
      1. 将 kbr 样本 (以与土壤样品相同的方式研磨 (见 4.1.1.2), 以模拟土壤基质效应) 加载到样品杯或板中。
         注: "背景谱" 不同于用于执行减法的富矿参考光谱 (见 4.1.3)。该软件将使用背景光谱来去除土壤样品上的光谱收集过程中的大气和其他环境吸收。所有软件说明都是特定于所选软件的, 需要适应其他软件。
      2. 清除具有 co2 和 h2 o-_洗涤空气 (通过净化气体发生器) 或 n2 气体的光谱仪室, 以提高采集条件的一致性。例如, 在环境大气下收集光谱可能会导致湿度和二氧化碳_的小波动, 从而导致吸收光谱的变化。
         注: 较新的光谱仪可能有可能降低湿度影响的镜子 (例如, 黄金、碳化硅)。
      3. 使用相同的检测器和采集参数设置收集背景谱, 包括扫描编号、波数范围和分辨率, 用于采集样品的光谱。
         1. 打开"实验" 的下拉菜单, 然后选择所需的实验收集方法 (例如,采集模式)。
            注: 在此示例中, 使用所选分光计 (请参阅材料表), 所选方法是is50 主隔间。
         2. 单击 "实验设置" 图标以选择光谱采集参数。
         3. 在 "收集"选项卡下, 检查扫描次数和分辨率是否适合实验目标;例如, 整齐土壤的 drift 光谱的一个常见设置是在^{4 厘米-1 分辨率下}进行128次扫描。单击 "确定"保存更改。
         4. 单击 "收集背景" 图标以收集背景频谱。保存背景光谱, 用于收集土壤光谱 (经过处理和未经处理)。
   3. 采集土壤样品的光谱。
      注: 使用相同的采集参数收集背景和样品 (未经处理的土壤、富矿土壤) 光谱。探测器之间在采集时间和分辨率方面的差异带来了权衡, 影响了采集时间和光谱质量。土壤光谱的典型扫描次数范围为128-512 扫描。扫描数可以减少, 并复制平均, 以获得总目标扫描数。例如, 可以使用每个扫描 64次, 平均收集两个分析复制----在两个不同的井中加载相同的样本, 总共进行128次扫描。
      1. 加载土壤样本。为确保一致的载荷并最大限度地减少表面粗糙度, 将样品倒入样品杯 (或井) 到杯唇或边缘上方稍过满的地方。然后, 使用扁平边缘 (例如剃须刀) 表面光滑杯中的土壤, 使杯中土壤样本的高度与杯唇齐平。
         注: 由于红外光与漫反射模式下的土壤等基质的相互作用, 样品载荷会影响 drift 光谱。样品不应被压实或受压力, 因为填料密度会影响吸收率。更精细的样品粒径可确保更易于表面平滑 (请参见 4.1.2.1)。根据光谱仪模型和样品密度, 填充样品杯所需的样品质量从300到600毫克不等。在板井的情况下, 这也取决于井的大小。井数较多的板材的井数较小, 因此所需样品较少。例如, 96 孔板通常具有360μl 的井体体积, 而24孔板的井体积为 3.4 ml。
      2. 收集未经处理和处理过的土壤样品的光谱。首先检查是否使用了以前收集的背景频谱 (见 4.1.2.3.4)。单击 "实验设置"。在 "收集"选项卡下, 选择 "使用指定的背景文件" 并加载背景频谱文件。单击 "确定"保存更改。要开始在土壤上采集光谱, 请单击 "收集样本"。
         注: 将同一样品重新装入不同的井或样品杯, 以收集复制光谱, 从而考虑到表面粗糙度和矩阵密度变化所产生的散射伪影。
2. 执行光谱减法。
   注:减法系数 (sf)衡量矿物参考光谱中的吸收程度在未经处理的土壤光谱中从相应的波数吸收率中减去的程度。对于以提高有机吸收率的分辨率为特征 som 的减法, 建议使用大多数光谱仪提供的全部 mir (例如, 4, 000 至650或400厘米-¹, 具体取决于检测器)。接下来的步骤描述了一种确定 sf 的经验方法。所有软件说明都是特定于所选软件的, 需要适应其他软件。
   1. 通过使用软件程序的减法选项来改变减法系数 (sf) 以最小化或减少目标矿物峰和/或矿物峰, 以及/或最大化线性基线 14, 实现零峰值^.
   2. 同时选择未经处理和处理的土壤光谱, 然后单击"减去" 图标(屏幕顶部中心); 选择的第一个光谱 (未经处理的土壤) 将是从其提取第二光谱 (经处理的土壤) 的光谱。
   3. 使用垂直切换栏或箭头来增加或减少 sf (屏幕左侧)。观察预览减法谱的变化。
      1. 使用此迭代功能确定适当的 sf, 如"代表性结果" 中所述。数字 sf 值出现在切换栏的中间。若要调整 sf 值的范围, 请使用"查找" 和 "粗点" 按钮。
   4. 单击"添加" (屏幕右上角) 将计算出的减法频谱加载到窗口中。
      注: 由于大多数 (如果不是所有) 土壤样品中的矿物吸收程度与浓度不是线性的, 因此通常不可能清除所有矿物峰。建议通过调整 sf, 将被认为不易反转的矿物峰 (例如, 2100-1780 厘米-¹处的石英样 si-o)¹⁴用作目标峰, 以实现零-输出。
   5. 记录和报告如何以足够详细的方式进行减法的方法细节, 以便能够独立计算未经处理的土壤光谱中的相同减法谱, 包括: (1) 用于减法的波数区域, (2)使用的 sf 或 sf 范围, 以及 (3) 为零出而针对的 (矿物) 峰值或区域。
      注: 对减法可靠性的一个很好的测试是由同一用户使用所报告的减法参数重新执行, 或者由不同的用户独立执行。
3. 解释光谱。
   1. 利用可用于分析和解释由此产生的减法光谱的各种资源进行光谱解释, 特别是对有机官能团的吸收分配 4。
      注: 减法光谱的其他用途包括多元分析 (例如主成分分析)、土壤分析物^的化学计量预测 27, 甚至法医指纹⁹。

结果

som 去除方法对减法光谱的解释具有实际和理论意义。例如, 高温灰化引起的矿物变化可能表现为峰的损失或外观, 也可以表现为矿物参考光谱中的转移或扩大峰。这些光谱伪影很容易发生在与有机带重叠的区域, 为1600-900 厘米^-1,²²妥协的解释的有机带。图 2显示了高温灰化 (≥550°c) 后矿物带的常见变化, 包括在 3700-36600 cm-1 时?...

讨论

删除 som 的方法有两个考虑因素: 1) 删除 som 的数量, 以及 2) 由此产生的矿物参考光谱中的吸收伪影。幸运的是, 有可能----可以说是必要的----确定和处理这些问题, 以避免从产生的减法谱对 som 成分进行有偏见的解释。理想情况下, 光谱减法将采用仅有矿物的参考光谱, 以产生 "纯" som 的光谱。在现实中, 所产生的减法谱显示出与 som 相对应的吸收率, 相对于原始 (未经处理的) 土壤谱增强。这是?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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