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要約

SOM の基礎となる多くの土壌機能とプロセス、しかし、赤外分光法による特性評価は鉱物の干渉によって頻繁挑戦です。この方法は、経験的に得られた土壌スペクトルを使用してミネラル干渉鉱物参照スペクトル減算することによって赤外分光法による SOM 解析の有用性を増やすことができます。

要約

土壌有機物 (SOM) は、多数の土プロセスと機能に基づいています。フーリエ変換の赤外線 (FTIR) 分光法は、土壌の有機成分を構成する赤外活性有機結合を検出します。ただし、土壌質量 (一般 < 5%) の低い有機物含有量とミネラルや有機官能基中赤外 (ミール) 地域 (4,000-400 cm-1) の吸光度オーバー ラップは支配的で実質的な妨害をもたらすミネラル吸収特性、挑戦や SOM の特性評価のためのスペクトルの解釈をも防止。スペクトル引き算、スペクトルの非定型の数理的な処理は鉱物の干渉を低減でき、ミネラル吸収特性を数学的に外して有機官能基に対応するスペクトル領域の解像度を向上させます。これは特定の土壌サンプルの SOM. を削除することによって経験的得られるミネラル豊富な参照スペクトルが必要です。ミネラル豊富な参照スペクトルは、SOM カラムベッドを表すスペクトルを生成する土壌サンプルの元 (未処理) スペクトルから差し引かれます。一般的な SOM の除去方法には、高温燃焼 ('灰') と化学的酸化が含まれます。SOM の除去方法の選択を運ぶ 2 つの考察: SOM の (1) の量を削除、および鉱物の吸収 (2) 成果物参照スペクトルそしてこうして結果の差分スペクトル。これらの潜在的な問題し、識別する必要があります、SOM の有機官能基組成のスペクトルの誤りや偏った解釈を避けるために定量化SOM の除去、次結果ミネラル豊富なサンプルを使用して、ミネラル参照スペクトルを収集します。実験的目標とサンプル特性、特に減算係数の決定に応じて減算を実行するいくつかの戦略が存在します。結果の差分スペクトルには、前述の方法論に基づく慎重な解釈が必要です。加減算では多くの土壌および相当なミネラル成分を含むその他の環境試料は、有機物組成の FTIR 分光特性を改善するために強い可能性があります。

概要

土壌有機物 (SOM) ほとんどの土壌試料の質量によって微量の成分は、複数のプロパティに関与している、栄養循環、炭素隔離1などの基盤となる土壌関数の処理します。SOM の構図を特徴付ける SOM 形成と土壌機能2,3でそのロールの回転をリンクするいくつかのアプローチの 1 つです。SOM 組成の特性の 1 つの方法はフーリエ変換赤外線 (FTIR) 分光土壌と (例えば、カルボキシル基の C-O 脂肪族 C H) その他の環境試料中の有機物を構成する官能基の検出を提供しています4ただし、SOM 機能グループ構成を明らかにするための赤外分光法の有用性は大部分の土壌は、支配的な鉱物コンポーネントによって挑戦 (> 95% 通常質量) 強い無機結果に挑戦するためまたは。深刻な有機結果の検出と解釈を制限します。

スペクトル引き算は、土壌試料中の有機物の FTIR 分光特性を改善する方法を提供しています。土壌スペクトルからの鉱物の吸光度を差し引くことを使用と SOM 構成の分析に関心の有機官能基の吸収特性を強化

(図 1)。

スペクトル引き算標準赤外分光法 (すなわち、土壌スペクトル) 上の利点があります。

(i) 解像度と通常土壌のスペクトルと比較して有機吸収バンドの解釈を改善しました。有機土壌スペクトル バンドの解釈は、有機官能基の違いによる吸光度の相対的な違いがによって実行することができます、これは同じ鉱物と比較的高い SOM サンプルとの比較を制限します。コンテンツ、および有機バンド、さらにそれらは比較的ミネラル フリーの変化により敏感かもしれない (例えば脂肪族 C-H ストレッチ)5

(ii) 高 SOM サンプル、有機物質濃縮抽出物や分数を超えて土壌の分析

(6のスケール iii) フィールド メソコスムから実験的治療による変化を強調表示

SOM の FTIR 解析におけるスペクトル減算の追加アプリケーションは、構造および分子特性 (例えば、核磁気共鳴分光法、質量分析法)5,7を補完するを識別する、抽出または破壊的な分別8、法医学目的9指紋 SOM 構成して削除 SOM の組成物。このメソッドは、さまざまな土壌、堆積物の10、泥炭11、石炭12,13などを超えて鉱物-有機混合物に適用されます。

有機物除去の例を使用してミネラル参照スペクトルを取得する SOM の FTIR 分光特性を改善するためにスペクトル減算の可能性を発揮し、スペクトルを実行するを参照これらのミネラルを使用し、理想的な非理想的なスペクトル引き算を評価しています。このデモは、拡散反射赤外フーリエ変換 (ドリフト) スペクトルの土壌サンプル4の分析のための広範なアプローチ、中赤外領域 (ミール、4,000 400 cm-1) の収集に焦点を当てください。

ミネラル豊富な参照スペクトルを得るため SOM 除去の 2 つの例の方法は、(i) 高温燃焼 ('灰') と希薄水酸化ナトリウム (NaOCl) を使用して、(ii) 化学酸化です。規定された推奨事項ではなく、一般的に使用される SOM 除去方法の例のとおり、ことに注意してください。SOM の取り外しの他の方法は鉱物不具合の軽減を提供することがあります・除去率 (例えば低温灰化)14を強化します。土壌 (例えば、溶存有機物こみ) から派生した OM 濃縮サンプルの最初加減を実行するためにミネラル豊富な参照スペクトルを取得するために使用する最初の方法の一つであった高温アッシング15、 16土壌を一括への応用に続いてサンプル17,18。SOM を削除するために使用例の化学酸化は、NaOCl 酸化アンダーソン19で説明されている方法に基づいています。これはもともと x 線回折 (XRD) 分析の前に土壌試料中の有機物を除去するための前処理として開発され、SOM 安定化20,に敏感な潜在的な化学的分別として検討されています。21. 両方高温除去、NaOCl を用いた化学酸化土壌固有のアーティファクトを伴うことができ SOM 除去14,の方法を選択するときに考慮すべきスペクトルの解釈に限界があります。22。

プロトコル

1. 非投与ドリフト分光と SOM 除去のため土を準備します。

  1. < 2 mm ステンレス鋼メッシュ ('罰金地球分数') を使用して土をふるい。
    注: このデモでは、テクスチュアが SOM コンテンツ (表 1) の合計の約 3 倍の違いの 2 つの土壌を採用しています。

2 化学的酸化による SOM 除去: NaOCl の例

  1. 混合し、pH メーターで測定しながら、ソリューションに滴下 1 M 塩酸を追加する pH 9.5 w/v 6 %naocl の pH を調整します。
    注: ほとんどの市販の漂白剤 (例えばクロロックス) 質と濃度 (通常 3 ~ 7% NaOCl v/v) に適していますが、pH > 12。NaOCl 酸化有機物は pH 依存性、土壌サンプル19、23の使用は推奨 pH 9.5 と、ほとんど市販の漂白剤の pH 調整に必要です。
  2. 4 g 土壌に 25 mL NaOCl (6 w/v、pH 9.5) を追加 (ふるいにかけ、乾燥空気) 50 mL の円錐管と sonication によってミックス (600 秒、出力周波数 20 kHz、電源 200 W)。
  3. 湯浴 (15 分、80 ° C) 酸化率を高めるために混合物を孵化させなさい。
  4. 遠心分離機 (例えば、粗い織り目加工の土の 4,000 × g で 15 分; 室温) 明確な上澄みを取得します。手動で廃棄物コンテナーに上清をデカントします。
    注: (保守的、no の酸化処理およびこうして NaOCl の消費は無しと仮定して) 清 NaOCl の濃度は家庭用の市販の漂白剤と同じです。細かい織り目加工の土は、明確な上澄みを取得する与えられた遠心速度 (例えば、4,000 × g) で長く遠心分離の時間 (例えば、追加の 15-30 分まで) を必要があります。
  5. 2 回の合計 3 つの酸化ステップ 2.3 と 2.4 の手順を繰り返します。
  6. 最後の酸化ステップ後に、土壌や水平シェーカー (120 rpm) を使用して 5 分のミックスに 20 mL の脱イオン H2O (dH2O) を追加します。4,000 × g、室温で 15 分間遠心します。合計 3 つの治療を繰り返します。
  7. ヘラと dH2O ホヤの瓶から、必要に応じて抽出を使用し、プラスチック遠心管の底から土壌ペレットを洗うボート (または高表面積の別の容器) の重量を量る。絶乾 (最大 60 ° C、48 h) 気乾状態に。
  8. 土壌サンプルを乾燥すると、一度、C/N アナライザー24を使用して燃焼ガス ・ クロマトグラフィーによって総有機炭素含有量を定量化します。有機炭素濃度酸化治療前後の差としての SOM の除去を計算します。
    注: 有機物と土壌構造の損失のため土になります、かさぶたになりやすい特に低砂含有量と土壌の。穏やかな圧力を適用および/または手の痂皮の土壌を再統一する研削する必要があります。土壌無機炭素 (すなわち、炭酸塩) 燃焼ガス クロマトグラフィー25,26有機炭素を定量化するための追加の手順が必要です。

3. 高温燃焼による SOM 除去

  1. 土壌の測定 1 〜 2 g (ふるいにかけ、乾燥空気)、ヘラを使って磁器るつぼに。
  2. まっフル炉を使用して 3 時間 550 ° C で加熱します。
    注: これは比較的高温燃焼を用いた SOM 除去のメソッドの例です。代替手段 (例えば温度) の議論を参照してください。

4. ドリフト分光

注: この例では、テーブルの資料に記載されている FTIR 分光装置ソフトウェア使用されます。

  1. 未処理の土とミネラル豊かな標準試料 (SOM を削除する処理) のスペクトルを取得します。
    1. 土壌試料を準備します。
      1. (オプション) サンプルを希釈します。
        1. 使用分析グレード KBr (またはその他のハロゲン化物塩) 105 ° C で乾燥し、残留水分を除去する乾燥器で保存されています。土壌サンプルは、純粋な化合物の < 1% と対照をなして、1-33% の範囲で効果的な KBr 希釈を実現できます。
        2. 100-400 mg の最終的なサンプル サイズの土壌と KBr をミックスします。たとえば、3% 希釈のため軽く 60 の KBr の 60 mg 12 mg の乾燥サンプルを挽くめのう乳鉢と乳棒で s。'で隠す' サンプルを完全に均質に KBr の 328 mg。
        3. KBr 社とシリアルの希薄を使用すると、高い最終希釈倍率 (< 1%) を取得できます。レプリケート希釈まで徹底再現、特に希釈サンプル使用 101-102以来きちんとしたサンプルよりも少ない土壌を実行します。
      2. 粉砕・篩分法 (例えば、60 # フルイを使って 250 μ m) の手によって類似した堅さに未処理と処理土壌試料を粉砕します。
        注: 比較手に研削、大きい一貫性によって促進されるオートメーション、特に回転ボールミルによる。ただし、SOM (例えば、るつぼボリュームによる灰の 1-3 g) の除去手段に使用する土の量が比較的少ない、手の粉砕がありますより実用的です。
    2. バック グラウンドのスペクトルを収集します。
      1. KBr (土壌マトリックス効果を模倣する土壌 (4.1.1.2 を参照) と同じように地上) のサンプルを読み込むサンプル カップやプレートも。
        注:「バック グラウンド スペクトル」はミネラル豊富な参照スペクトルとは異なる (4.1.3 を参照) 加減算を行うために使用します。バック グラウンド スペクトルは、試料のスペクトルのコレクション中に大気を削除するソフトウェアおよび他の周囲の吸光度によって使用されます。すべてのソフトウェアの説明は選択したソフトウェアに固有であり、他のソフトウェアに適合させる必要があります。
      2. N2ガス収集条件のより大きい一貫性を保つのため、CO2- と H2O ごしごし洗われた空気 (パージのガスの発電機) を経由して分光器チャンバーをパージします。たとえば、周囲雰囲気下でスペクトルのコレクションは、湿度と吸光度スペクトルの変化を引き起こすことができる CO2の小さな変動を伴なうかもしれない。
        注: 新しい分光器湿度効果を減らすことができます潜在的ミラー (例えば金、SiC) があります。
      3. 同じ検出器および集録パラメーターなどの設定スキャン数、波数範囲、および試料のスペクトルを収集するために使用する解像度を使用してバック グラウンド スペクトルを収集します。
        1. 実験のためドロップ ダウン メニューを開いて目的の実験的コレクション方法 (例えばアクイジション ・ モード) を選択します。
          注: 選択した分光計を使用してこの例で (材料の表を参照)、選択したメソッドがiS50 メインのコンパートメント。
        2. スペクトル取得パラメーターを選択する実験のセットアップアイコンをクリックします。
        3. [収集] タブで、スキャン解像度数が実験の目的に適しているを確認してください。たとえば、きちんとした土壌のドリフト スペクトルの一般的な設定は 4 cm-1解像度で 128 のスキャンです。[Ok]変更を保存するをクリックします。
        4. バック グラウンドのスペクトルを収集する収集背景アイコンをクリックします。土壌 (処理し、未処理) のスペクトルのコレクションで使用するためバック グラウンド スペクトルを保存します。
    3. 土壌試料のスペクトルを取得します。
      注: 背景および (未処理の土、ミネラル豊富な土) のサンプルを収集するために同じアクイジション ・ パラメーターを使用してスペクトル。捕捉時間と解像度で検出器の違いをもたらすトレードオフ採取時期およびスペクトルの質に影響を与える。128 512 スキャンから土壌スペクトル範囲の典型的なスキャン番号。スキャンの数を減らすことができ、複製の平均合計ターゲット スキャン番号を取得します。たとえば、2 つ分析複製 - 2 つの井戸に読み込まれた同じサンプル - が 64 件のスキャンを使用して収集できます 128 スキャンの合計の平均と。
      1. 土壌サンプルをロードします。一貫性のある荷重を確保し、表面粗さを最小限に抑えるため、サンプルをサンプル カップに注ぐ (よく) 唇やカップのふちの上少しオーバフィ リングのポイントに。その後、表面滑らかなそのカップでサンプルの土の高さ (例えばかみそり) 平刃を使用して、カップに土はカップの縁と同じ高さ。
        注: ために赤外光の拡散反射モードで土壌などのマトリックスとの相互作用、サンプル読み込みに影響を与えるドリフト スペクトル。サンプルはない突きや充填密度吸光度に影響するので、圧力を受ける必要があります。サンプルの細かい粒子の大きさにより、表面 (4.1.2.1 を参照) の平滑性を向上。分光モデル、サンプル密度に応じてサンプル カップを埋めるために必要なサンプル量は 600 mg まで 300 から及ぶ。プレートの井戸の場合にこれはよくサイズによっても異なります。井戸の数を持つプレートは、小さな井戸を持ってし、以下のサンプルが必要になります。たとえば、96 ウェル プレート一般的がある 360 μ l よくボリューム 24 ウェル プレート 3.4 mL のもボリュームがあるに対し
      2. 未処理と処理土壌試料のスペクトルを収集します。(4.1.2.3.4 を参照)、バック グラウンド スペクトルが以前に収集の最初のチェックが使用されます。実験のセットアップをクリックします。[収集] タブで、指定した背景ファイルを使用を選択し、バック グラウンド スペクトル ファイルをロードします。[Ok]変更を保存するをクリックします。土のスペクトルのコレクションを開始するには、収集のサンプルをクリックします。
        注: は、異なる井戸または散乱アーティファクトでもマトリックス密度、表面粗さ、可変性を考慮して複製のスペクトルを収集するサンプル カップで同じサンプルを再ロードします。
  2. スペクトル減算を実行します。
    注:減算係数 (SF)未処理の土のスペクトルに対応する波数で結果から減算される鉱物参照スペクトルの吸光度を程度の重量を量る。SOM を特徴付ける有機結果の解像度の改善に焦点を当てた加減は、(例えば4,000 に 650 か 400 cm-1、検出器によって) ほとんど分光器によって与えられるミールの全体を利用することをお勧めします。次の手順は、SF を決定するための経験的方法をについて説明します。すべてのソフトウェアの説明は選択したソフトウェアに固有であり、他のソフトウェアに適合させる必要があります。
    1. ゼロの最小化またはターゲット鉱物のピークを減らすに減算係数 (SF) を変更するソフトウェア プログラムの減算オプションを使用してピークおよび/または鉱物のピークをおよび/または線形基準14を最大化します。
    2. 同時に未処理と処理土のスペクトルを選択し、減算のアイコン (画面の上部中央); 選択最初のスペクトル (未処理の土) は 2 番目のスペクトル (処理土) の減算をスペクトルになります。
    3. (画面の左側) の SF を増減する垂直切り替えバーや矢印を使用します。プレビュー減算スペクトルの変化を調べる。
      1. この反復的な機能を使用して、代表の結果で説明するように、適切な SF を決定します。SF 数値が切り替えバーの中央に表示されます。SF の範囲の値を調整するには、ファイナーとCoarserボタンを使用します。
    4. 追加(画面右上) をクリックして、ウィンドウに計算引き算スペクトルをロードします。
      注: カラムベッドはミネラルの大半以来ほとんどの (ないすべて) の土壌試料中の濃度と直線的だ通常すべての鉱物のピークを削除することは不可能鉱物のピークが反転しにくいと考えられてお勧めします (例えば石英のような 2,100 1,780 cm-1に Si O)14ターゲット ピークとして SF を調整することによってゼロを使用します。
    5. 減算された未処理の土スペクトルから同じ差分スペクトルの独立した計算を許可する十分な詳細で実行する方法の記録及び報告の方法論の詳細を含む: (1) 減算用波数領域 (2)SF や範囲の SFs 使用、および (3) (鉱物) のピークまたは地域ゼロ ing のアウトを対象とします。
      注: 引き算の信頼性の良いテストは、それを同じユーザーや独立して報告された減算パラメーターを使用して別のユーザーが改めて実行しては。
  3. スペクトルを解釈します。
    1. スペクトルの解釈分析、有機官能基4結果の特定の割り当てに、結果の差分スペクトルを解釈し利用可能なさまざまなリソースを使用してを実行します。
      注: 多変量解析 (例えば、主成分分析)、土壌分析27とも法医学フィンガー プリント9ケモメトリック予測差分スペクトルの他の用途があります。

結果

SOM の除去の方法は、減算スペクトルの解釈の理論と同様、実用的な意味を持ちます。たとえば、ミネラル高温アッシング装置からの変更は損失または出演としておよび/またはピークとして現れることはシフトまたは鉱物参照スペクトルのピークを拡大します。これらのスペクトルの成果物は、1,600 900 cm-1、22有機バンドの解釈を損なうこと?...

ディスカッション

SOM を除去する方法を運ぶ 2 つの考察: SOM の 1) の量を削除し、結果の鉱物 2) 吸光度成果物参照スペクトル。幸いにも可能です-間違いなく必要な -を識別するこれらの結果の差分スペクトルから SOM 組成の偏りのある解釈を避けるために問題量と。理想的には、スペクトル引き算 '純粋な' SOM のスペクトルをもたらすミネラル専用の参照スペクトルを採用するだろう現実には、結果の差分スペク...

開示事項

著者が明らかに何もありません。

謝辞

博士ランディ サウサード NaOCl 酸化と博士 Fungai F.N.D. Mukome でスペクトル引き算の様々 な議論の指導お願い申し上げます。

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
Nicolet iS50 spectrometerThermo Fisher Scientific912A0760infrared spectrometer used to collect spectra
EasiDiffPike Technologies042-1040high throughput sample holder
OMNICThermo Fisher ScientificINQSOF018software used to perform subtractions
6% v/v sodium hypochloriteCloroxn/ageneric store-bought bleach for oxidative removal of soil organic matter
Type 47900 FurnaceVWR International30609-748muffle furnace for ashing soils to removal soil organic matter
VWR Gooch Crucibles, Porcelain VWR International89038-038crucibles for ashing
VWR Tube 50 mL Sterile CS500 VWR International89004-364for sodium hypochlorite
Forced air ovenVWR International89511-414for drying soils after oxidation and water washes
VersaStar pH meterFisher Scientific13 645 573for measuring pH of oxidation solution

参考文献

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