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

Résumé

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.

Résumé

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}.

Protocole

1. préparer le sol pour la spectroscopie de dérive Non traitées et enlèvement de SOM

1. 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

1. Ajuster le pH de 6 % p/v NaOCl à pH 9,5 en ajoutant 1 M HCl goutte à goutte de la solution tout en mélangeant et en mesurant avec un pH-mètre.
   NOTE : Eau de Javel plus commerciale (p. ex., Clorox) est adaptés à la qualité et de la concentration (en général 3 à 7 % NaOCl v/v) mais aura pH > 12. NaOCl oxydation des matières organiques est dépendante du pH et pH 9.5 est recommandé pour son utilisation avec des échantillons de sol^19,23, il est nécessaire d’ajuster le pH de la plupart des décolorants disponibles dans le commerce.
2. Ajouter 25 mL NaOCl (6 % p/v, pH 9,5) à 4 g de sol (tamisé, séchés à l’air) dans un tube conique de 50 mL et mélanger par sonication (600 s, sortie fréquence 20kHz, puissance 200 W).
3. Incuber le mélange dans un bain d’eau chaude (80 ° C, 15 min) pour augmenter la vitesse d’oxydation.
4. Centrifugeuse pour obtenir un surnageant clair (par exemple, 15 min à 4 000 × g pour les sols à texture plus grossières ; température ambiante). Manuellement, éliminer le surnageant dans un conteneur à déchets.
   Remarque : La concentration de NaOCl dans le surnageant (prudemment, en supposant aucune oxydation et donc aucune consommation de NaOCl) est la même chose que commercialement disponible eau de Javel à usage domestique. Les sols à texture plus fine peuvent exiger plus long temps de centrifugation (p. ex., jusqu'à une supplémentaire de 15-30 min) à une vitesse de centrifugation donnée (p. ex., 4 000 × g) pour obtenir un surnageant clair.
5. Répétez les étapes 2.3 et 2.4 deux fois pour un total de trois étapes d’oxydation.
6. Après la dernière étape de l’oxydation, ajouter 20 mL eau désionisée H₂O (dH₂O) au sol et mélanger pendant 5 min à l’aide d’un agitateur horizontal (120 tr/min). Centrifuger à 4 000 × g et à température ambiante pendant 15 minutes. Répéter pour un total de trois traitements.
7. En utilisant une spatule et dH₂O d’un vaporisateur que nécessaire, extrait et lavent le culot de sol du fond de la tube à centrifuger dans un plastique pèsent bateau (ou un autre récipient avec grande surface). Anhydre (60 ° C maximum, 48 h) à l’état séché à l’air.
8. Une fois que l’échantillon de sol est séché, quantifier la teneur en carbone organique total par chromatographie de gaz de combustion à l’aide d’un analyseur de C/N²⁴. Calculer le retrait SOM que la différence de concentration en carbone organique avant et après traitement d’oxydation.
   Remarque : En raison de la perte de matière organique et la structure du sol, sol sera sujets à l’encroûtement, en particulier pour les sols à faible teneur en sable. Il peut être nécessaire d’appliquer une légère pression et/ou de meulage pour re-homogénéiser le sol en croûte à la main. Sols avec carbone inorganique (c.-à-d., carbonates) requièrent des étapes supplémentaires pour quantifier le carbone organique par chromatographie de gaz de combustion^25,26.

3. SOM enlèvement par Combustion à haute température

1. Mesure environ 1-2 g de sol (tamisé, séchés à l’air) dans un creuset de porcelaine à l’aide d’une spatule.
2. Chauffer à 550 ° C pendant 3 h à l’aide d’un four à moufle.
   Remarque : Il s’agit d’un exemple de méthode d’élimination de SOM utilisant la combustion à une température relativement élevée. Reportez-vous à la Discussion sur les procédures alternatives (p. ex., température).

4. DRIFT spectroscopie

NOTE : Pour cet exemple, le logiciel de spectromètre FTIR énuméré dans la Table des matières sera utilisé.

1. Acquérir des spectres de sol non traité et échantillon de minéral référence enrichi (traitée pour supprimer SOM).
   1. Préparer les échantillons de sol.
      1. Diluer les échantillons (facultatifs).
         1. Pureté analytique utilisation KBr (ou autre sel haloïde) séché à 105 ° C et stockée dans un dessicateur pour enlever l’humidité résiduelle. Des échantillons de sol, les dilutions de KBr efficaces peuvent être réalisées à une distance de 1 à 33 %, contrairement aux < 1 % pour les composés purs.
         2. Mélange sol et KBr pour un échantillon final de 100 à 400 mg. Par exemple, pour une dilution de 3 %, doucement moudre 12 mg d’échantillon sec avec 60 mg de KBr pendant 60 s dans un mortier d’agate. Ensuite, « se coucher » 328 mg de KBr à bien homogénéiser l’échantillon.
         3. Utiliser des dilutions successives avec KBr pour obtenir un taux de dilution finale élevée (< 1 %). Effectuer des dilutions répétées afin d’assurer leur reproductibilité, surtout depuis les échantillons dilués utilisent 10¹-10² moins du sol que les échantillons soignées.
      2. Moudre des échantillons de sol non traités et traités à consistance similaire à la main, broyage et tamisage (p. ex., 250 µm, à l’aide d’un tamis de 60 #).
         Remarque : Par rapport à la main le broyage, une plus grande cohérence est facilitée par automation, en particulier par fraisage de balle. Cependant, la quantité relativement faible de sol utilisé dans les moyens de déplacement (par exemple, 1-3 g à incinération en raison du volume de creuset) SOM cette main de meulage peut être plus pratique.
   2. Percevoir le spectre de l’arrière-plan.
      1. Charger un échantillon de KBr (haché de la même manière que des échantillons de sol (voir 4.1.1.2) pour imiter les effets de matrice de sol) dans une tasse de l’échantillon ou la plaque bien.
         NOTE : Le « spectre de fond » est différent du spectre enrichi en minéraux de référence (voir 4.1.3) utilisé pour effectuer des soustractions. Le spectre de fond sera utilisé par le logiciel pour supprimer atmosphériques et autres absorbances ambiantes pendant la collecte des spectres sur des échantillons de sol. Toutes les descriptions de logiciels sont spécifiques au logiciel choisi et devront être adapté à d’autres logiciels.
      2. Purge de la chambre de spectromètre et CO₂- H₂O-lavé air (par un générateur de gaz de purge) ou avec gaz₂ N pour une plus grande cohérence dans les conditions de collecte. Par exemple, collection des spectres sous atmosphère ambiante peut entraîner de légères fluctuations d’humidité et de CO₂ qui peuvent entraîner des modifications dans les spectres d’absorbance.
         Remarque : Les nouveaux spectromètres peuvent avoir miroirs (p. ex., or, SiC) qui peuvent potentiellement réduire les effets de l’humidité.
      3. Recueillir un éventail de fond en utilisant les même détecteur et acquisition paramètres, y compris le numéro d’analyse, gamme de nombre d’onde et la résolution, qui sera utilisée pour recueillir des spectres d’échantillons.
         1. Ouvrez le menu déroulant pour expérience et sélectionnez la méthode désirée collection expérimentale (p. ex., mode d’acquisition).
            Remarque : dans cet exemple à l’aide du spectromètre choisie (voir la Table des matières), la méthode choisie est IS50 principal compartiment.
         2. Cliquez sur l’icône de Montage expérimental pour sélectionner les paramètres d’acquisition spectrale.
         3. Sous l’onglet collecter , vérifier que le nombre de balayages et de la résolution est approprié pour des objectifs expérimentaux ; par exemple, un cadre commun pour les spectres de la dérive des sols soignées est 128 scans à une résolution de 4 cm^-1 . Cliquez sur Ok pour enregistrer les modifications.
         4. Cliquez sur l’icône de la Collecte de fond pour collecter un spectre de fond. Enregistrer le spectre de fond pour une utilisation dans la collection des spectres des sols (traités et non traités).
   3. Acquérir des spectres des échantillons de sol.
      Remarque : Utilisez les mêmes paramètres d’acquisition pour recueillir le fond et échantillon (sol non traité, sol enrichi en minéraux) spectres. Différences entre les détecteurs au moment de l’acquisition et la résolution posent des compromis qui ont une incidence collection temps et qualité spectrale. Numéros de scan typique pour la gamme de spectres de sol de 128-512 scans. Numéro d’analyse peut être diminuée et répliques en moyenne pour obtenir un numéro de scan cible totale. Par exemple, deux répétitions analytiques - le même échantillon chargé dans deux puits séparés - peuvent être collectées à l’aide de 64 scans chaque et en moyenne pour un total de 128 scans.
      1. Charger l’échantillon de sol. Pour assurer le chargement uniforme et réduire la rugosité de la surface, versez les échantillons dans la coupe de l’échantillon (ou bien) jusqu’au point de déborder légèrement au-dessus de la lèvre ou le bord de la coupe. Puis, surface lisse le sol dans la coupe à l’aide d’un bord plat (p. ex., rasoir) telle que la hauteur du sol l’échantillon dans la coupe affleure avec la lèvre de la coupe.
         NOTE : Due à l’interaction de la lumière infrarouge avec une matrice telle que le sol en mode réflexion diffuse, chargement d’échantillon peut influencer les spectres de dérive. Échantillons non doivent être tassés ou soumis à des pressions parce que la densité d’emballage peut affecter absorbance. Granulométrie plus fine des échantillons assure une plus grande facilité de surface de lissage (voir 4.1.2.1). Selon le modèle de spectromètre et la densité de l’échantillon, la masse de l’échantillon nécessaire pour remplir la tasse de l’échantillon vont de 300 à 600 mg. Dans le cas des puits de la plaque, cela dépend aussi de la taille bien. Plaques avec un plus grand nombre de puits auront plus petits puits et nécessiteront donc moins échantillon. Par exemple, plaques à 96 puits ont généralement un volume bien de 360 µL tandis que les plaques 24 puits ont un volume bien de 3,4 mL.
      2. Spectres de recueillir des échantillons de sol non traités et traités. Vérifiez d’abord que le spectre de fond recueilli précédemment (voir 4.1.2.3.4) est utilisé. Cliquez sur montage expérimental. Sous l’onglet collecter , sélectionnez utiliser un fichier contexte spécifié et charger le fichier de spectre de fond. Cliquez sur Ok pour enregistrer les modifications. Pour commencer une collection spectrale sur le sol, cliquez sur Collect Sample.
         NOTE : A re-charger le même exemple dans différents puits ou coupe d’échantillon pour recueillir les spectres répétées pour tenir compte des artefacts de diffusion produites par la rugosité de surface et par la variabilité dans la densité de la matrice.
2. Effectuer une soustraction spectrale.
   Remarque : Le facteur de la soustraction (SF) pèse le degré auquel absorbance dans le spectre de référence minéraux est soustraites des absorbances au nombre d’onde correspondante dans le spectre du sol non traité. Pour les soustractions axées sur l’amélioration de résolution des absorbances organiques pour caractériser le SOM, il est recommandé d’utiliser l’intégralité de la MIR offerte par la plupart de spectromètres (p. ex., 4 000 à 650 ou 400 cm^-1, selon le détecteur). Les étapes suivantes décrivent une méthode empirique pour déterminer le SF. Toutes les descriptions de logiciels sont spécifiques au logiciel choisi et devront être adapté à d’autres logiciels.
   1. Zéro pics en utilisant l’option de la soustraction du logiciel pour changer le facteur de la soustraction (SF) afin de minimiser ou réduire un pics minéraux cible et/ou minéraux pics, et/ou d’optimiser une base linéaire¹⁴.
   2. En même temps, sélectionnez les spectres de sol non traités et traités et cliquez sur l’icône de la soustraction (haut au centre de l’écran) ; le premier spectre sélectionné (sol non traité) sera le spectre dont le second spectre (sol traité) est déduit.
   3. Utilisez la barre de la bascule verticale ou les flèches pour augmenter ou diminuer la SF (à gauche de l’écran). Observer les changements dans le spectre de soustraction prévisualisé.
      1. Cette fonction itérative permet de déterminer une SF approprié tel que décrit dans les Résultats de représentant. La valeur numérique de la SF apparaît au milieu de la barre de la bascule. Pour ajuster les valeurs de plage de SF, utilisez les boutons Finer et Coarser .
   4. Cliquez sur ajouter (en haut à droite de l’écran) pour charger le spectre calculé soustraction dans une fenêtre.
      Remarque : Puisque la majorité des minéraux ne sont pas des absorbances linéaire avec une concentration dans la plupart (sinon tous) des échantillons de sol, il n’est généralement pas possible de supprimer tous les pics minéraux. Il est recommandé que pics minérales considéré comme moins enclins à l’inversion (p. ex., quartz-comme Si-O à 2 100-1 780 cm^-1)¹⁴ servir le pic de la cible à zéro en ajustant la SF.
   5. Enregistrement et rapport détails méthodologiques sur le mode d’exécution de la soustraction avec suffisamment de détails pour permettre un calcul indépendant du même spectre soustraction de la gamme de sol non traité, y compris : (1) la région de nombre d’onde utilisée pour la soustraction, (2). la SF ou gamme de SFs usagés et (3), le pic (minéraux) ou la région ciblée pour zéro-ing sur.
      Remarque : Un bon test de la fiabilité d’une soustraction est qu’elle soit effectuée de nouveau par le même utilisateur et/ou indépendamment par un autre utilisateur en utilisant les paramètres déclarés soustraction.
3. Interpréter les spectres.
   1. Effectuer l’interprétation spectrale en utilisant les différentes ressources disponibles pour analyser et interpréter les spectres de soustraction qui en résultent, en particuliers affectations des absorbances de groupes fonctionnels organiques⁴.
      Remarque : D’autres utilisations des spectres de soustraction incluent analyse multivariée (p. ex., analyse en composantes principales), prédiction de chimiométrie de sol analytes²⁷et même judiciaire empreintes⁹.

Résultats

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...

matériels

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