Melhorando a espectroscopia de infravermelho de caracterização da matéria orgânica do solo com subtrações espectrais

Resumo

SOM está subjacente a muitos processos e funções do solo, mas sua caracterização por espectroscopia FTIR é frequentemente desafiada por interferências de minerais. O método descrito pode aumentar a utilidade da análise SOM por espectroscopia FTIR subtraindo mineral interferências nos espectros de solo utilizando empiricamente obtidos espectros de referência mineral.

Resumo

Matéria orgânica do solo (SOM) subjacente a várias funções e processos do solo. Espectroscopia de infravermelho (FTIR) Fourier transform detecta infravermelhos ativos laços orgânicos que constituem o componente orgânico dos solos. No entanto, o teor de matéria orgânica relativamente baixa dos solos (comumente < 5% em massa) e sobreposição de absorvância dos minerais e orgânicos de grupos funcionais na região infravermelho médio (MIR) (4.000-400 cm^-1) engendra substancial interferência de dominantes absorvências minerais, desafiando ou mesmo impedindo a interpretação de espectros para caracterização de SOM. Subtrações espectrais, um post-hoc de tratamento matemático dos espectros, podem reduzir a interferência de minerais e melhorar resolução de regiões espectrais correspondentes a grupos funcionais orgânicos removendo matematicamente absorvâncias minerais. Isso requer um espectro de referência rica em minerais, que pode ser empiricamente obtido para uma amostra de solo determinado removendo SOM. O espectro de referência mineral enriquecido é subtraído do espectro (não tratado) original da amostra do solo para produzir um espectro representando absorvâncias de SOM. Métodos de remoção de SOM comuns incluem oxidação química e combustão de alta temperatura ('intermitente'). Seleção do método de remoção de SOM carrega duas considerações: (1) a quantidade de SOM removido e artefatos (2) absorvância no mineral referenciam espectro e, portanto, o espectro resultante de subtração. Estas questões potenciais podem e deve, ser identificados e quantificados a fim de evitar interpretações tendenciosas ou falaciosas dos espectros para composição do grupo funcional orgânico de SOM. Após a remoção do SOM, a amostra enriquecida com mineral resultante é usada para coletar um espectro de referência mineral. Várias estratégias existem para realizar subtrações dependendo dos objetivos experimentais e as características da amostra, mais notavelmente a determinação do factor de subtração. O espectro resultante de subtração requer cuidadosa interpretação com base na metodologia acima mencionada. Para muitos solos e outras amostras ambientais contendo componentes minerais substanciais, subtrações têm forte potencial para melhorar a caracterização espectroscópica de FTIR da composição da matéria orgânica.

Introdução

Matéria orgânica do solo (SOM) é um constituinte menor em massa na maioria das amostras de solo, mas está implicada em várias propriedades e processos subjacentes funções do solo, tais como nutrientes sequestro ciclismo e carbono¹. Caracterizando a composição do SOM é uma das várias abordagens para vincular a formação do SOM e volume de negócios com suas funções no solo funções^2,3. Um método de caracterizar a composição do SOM é Fourier transform (FTIR) espectroscopia de infravermelho, que oferece a deteção de grupos funcionais que constituem a matéria orgânica no solo e outras amostras ambientais (por exemplo, carboxila C-O, alifático C-H) ⁴. no entanto, a utilidade da espectroscopia FTIR para revelar a composição do grupo funcional SOM é desafiada pelo componente mineral dominante para a maioria dos solos (normalmente > 95% em massa) devido à fortes absorvâncias inorgânicas que desafiam ou limite severamente a deteção e a interpretação das absorvâncias orgânicas.

Subtrações espectrais oferecem uma maneira de melhorar a caracterização espectroscópica de FTIR da matéria orgânica nas amostras de solo. Subtrair o minerais absorvâncias de espectro do solo pode ser usado para realçar as absorvâncias dos grupos funcionais orgânicos de interesse na análise da composição de SOM

(Figura 1).

Vantagens de subtrações espectrais sobre a espectroscopia FTIR padrão (ou seja, espectros de solo) incluem:

(i) melhorar a resolução e interpretação das bandas de absorção orgânica em comparação com espectros de solo normal. Embora interpretação das bandas orgânicas em espectros de solo pode ser realizada por supor que as diferenças relativas em absorvância são devido a diferenças nos grupos funcionais orgânicos, isso limita as comparações de amostras com a mesma mineralogia e SOM relativamente alto de conteúdo e podem ser menos sensíveis a mudanças nas bandas orgânicas, mesmo aqueles considerados ser relativamente livre de mineral (por exemplo, estiramento de C-H alifático)⁵

(ii) análise dos solos, além de amostras SOM altas ou extratos enriquecidos com matéria orgânicos ou fracções

(iii) realce de alterações induzidas por tratamentos experimentais do mesocosmo para campo escalas⁶

Aplicações adicionais de subtrações espectrais em análise FTIR de SOM incluem complementando caracterizações estruturais e moleculares (por exemplo, espectroscopia RMN, espectrometria de massa)^5,7, identificando o composição de SOM removido por uma extração ou fracionamento destrutivo⁸e composição de SOM impressões digitais para fins forenses⁹. Este método é aplicável a uma grande variedade de misturas minerais orgânicos além de solos, incluindo sedimentos¹⁰, turfa¹¹e carvão^12,13.

O potencial de subtrações espectrais para melhorar a caracterização espectroscópica de FTIR de SOM é demonstrado usando exemplos de remoção de matéria orgânica para obter espectros de referência mineral, e em seguida, usando estes minerais referência espectros, realizando e avaliando subtrações espectrais ideais e não ideal. Esta demonstração centra-se na transformação de Fourier infravermelho espectros (DRIFT) coletados na região do infravermelha médio (MIR, 4.000-400 cm^-1), como se trata de uma abordagem generalizada para a análise de amostras de solo⁴de reflectância difusa.

Os métodos de dois exemplo de remoção de SOM para a obtenção de um espectro de referência mineral enriquecido são (i) alta temperatura combustão ('intermitente') e (ii) química oxidação, usando diluída de hipoclorito de sódio (NaOCl). Deve notar-se que estes são exemplos de métodos de remoção de SOM comumente empregados, ao invés de recomendações prescritivas. Outros métodos de remoção de SOM podem oferecer redução de artefatos minerais e/ou reforçada remoção taxas (por exemplo, baixa temperatura incineração)¹⁴. Incineração de alta temperatura foi um dos primeiros métodos usados para obter espectros de referência mineral enriquecido por realizar subtrações, inicialmente para amostras enriquecido OM derivado de solos (por exemplo, matéria orgânica dissolvida, maca)^{15, 16} , seguido de sua aplicação em massa solo amostras^17,18. A oxidação química de exemplo usada para remover o SOM é baseada no método de oxidação de NaOCl, descrita por Anderson¹⁹. Isto foi originalmente desenvolvido como um pré-tratamento para a remoção de matéria orgânica nas amostras de solo antes da análise de difração de raios x (XRD) e foi investigado como um potencial fracionamento químico sensível ao SOM de estabilização^{20, 21}. tanto a remoção de alta temperatura e de oxidação química, usando hipoclorito podem implicar artefatos específicos do solo e têm limitações na interpretação espectral que deve ser considerada ao selecionar um método de remoção de SOM^{14, 22}.

Protocolo

1. preparar a terra para espectroscopia DRIFT não tratados e remoção de SOM

1. Peneire o solo para < 2 mm usando uma malha de aço inoxidável (a fração fina-terra).
   Nota: Esta demonstração emprega dois solos de textura semelhante, mas uma diferença de quase 3 vezes no teor SOM total (tabela 1).

2. SOM remoção por oxidação química: exemplo de NaOCl

1. Ajuste o pH de 6% w/v NaOCl a pH 9,5 adicionando 1 M de HCl gota a gota à solução durante a mistura e medir com um medidor de pH.
   Nota: Alvejantes mais comerciais (por exemplo, Clorox) são adequados em qualidade e concentração (geralmente 3-7% NaOCl v/v), mas terão pH > 12. Como NaOCl oxidação da matéria orgânica é dependente do pH, e pH 9.5 é recomendado para seu uso com amostras de solo^19,23, é necessário ajustar o pH da maioria dos alvejantes comercialmente disponíveis.
2. Adicionar 25 mL de NaOCl (6% w/v, pH 9.5) ao solo de 4G (peneirada, ar seco) em um tubo cônico de 50 mL e misture por sonication (600 s, frequência de saída 20 kHz, potência de 200 W).
3. Incube a mistura em um banho de água quente (80 ° C, 15min) para aumentar a taxa de oxidação.
4. Centrífuga para obter um sobrenadante claro (por exemplo, 15 min a 4.000 × g para solos de textura grosseiros; temperatura ambiente). Manualmente, decante o sobrenadante para um contentor de resíduos.
   Nota: A concentração de NaOCl no sobrenadante (conservadoramente supondo nenhuma oxidação e, portanto, não há consumo de NaOCl) é o mesmo que lixívia comercialmente disponível para uso doméstico. Finas textura solos podem exigir mais tempo de centrifugação (por exemplo, até um adicional 15-30 min) a uma velocidade de centrifugação determinado (por exemplo, 4.000 × g) para obter um sobrenadante claro.
5. Repita as etapas 2.3 e 2.4 duas vezes para um total de três etapas de oxidação.
6. Após a última etapa de oxidação, adicione 20 mL de água deionizada H₂O (dH₂O) para o solo e misture por 5 min, utilizando um agitador horizontal (120 rpm). Centrifugar por 15 min a 4.000 × g e temperatura de quarto. Repita para um total de três tratamentos.
7. Usando uma espátula e dH₂O de uma garrafa de esguicho, conforme necessário, extrair e ancorados a pelota do solo do fundo do tubo de centrífuga em um plástico pesam barco (ou outro recipiente com alta área de superfície). Forno-seco (60 ° C no máximo, 48 h) para um estado secas ao ar.
8. Uma vez a amostra de solo seco, quantificar o teor de carbono orgânico total por cromatografia de gás de combustão utilizando um analisador de C/N²⁴. Calcule a remoção de SOM como a diferença de concentração de carbono orgânico, antes e após o tratamento da oxidação.
   Nota: Devido a perda de matéria orgânica e estrutura do solo, solo será propenso a crostas, nomeadamente para solos com baixo teor de areia. Pode ser necessário aplicar uma pressão suave e/ou mão de moagem para re-homogeneizar o solo com crosta. Solos com carbono inorgânico (i.e., carbonatos) exigem etapas adicionais para quantificação de carbono orgânico por cromatografia de gás de combustão^25,26.

3. SOM remoção por combustão de alta temperatura

1. Medida ~ 1-2 g de solo (peneirada, seca ao ar) para um cadinho de porcelana, usando uma espátula.
2. Aqueça a 550 ° C por 3 h, usando um forno de mufla.
   Nota: Este é um método de exemplo de saída de SOM usando combustão a uma temperatura relativamente elevada. Consulte a discussão sobre procedimentos alternativos (por exemplo, temperatura).

4. DRIFT espectroscopia

Nota: Para este exemplo, o software do espectrômetro FTIR listado na Tabela de materiais será usado.

1. Aquisição de espectros de solo não tratado e minerais amostra enriquecida (tratada para remover o SOM).
   1. Prepare as amostras de solo.
      1. Dilua as amostras (opcionais).
         1. Qualidade analítica uso KBr (ou outro sal haleto), secagem a 105 ° C e armazenado num exsicador para remover a umidade residual. Para amostras de solo, diluições de KBr eficazes podem ser obtidas em uma escala de 1-33%, em contraste com < 1% para compostos puros.
         2. Mistura de solo e KBr para um tamanho de amostra final de 100-400 mg. Por exemplo, para uma diluição de 3%, delicadamente moer 12 mg de amostra seca com 60mg de KBr para 60 s com um pilão e almofariz de ágata. Em seguida, dobre ' 328 mg de KBr para totalmente homogeneizar a amostra.
         3. Use diluições em série com KBr para obter uma taxa alta diluição final (< 1%). Realize diluições replicar para garantir a reprodutibilidade, especialmente desde que amostras diluídas usam 10¹-10² menos solo de puro de amostras.
      2. Moa amostras de solo não tratada e tratada a consistência semelhante à mão, moagem e peneiramento (por exemplo, 250 µm usando uma peneira 60 #).
         Moedura, maior consistência Nota: Comparado à mão é facilitada pela automação, em especial pela trituração de bola. No entanto, a relativamente pequena quantidade de solo utilizado em SOM remoção (por exemplo, 1-3 g para incineração devido ao volume de cadinho) significa aquela mão de moagem pode ser mais prático.
   2. Recolha o espectro de fundo.
      1. Carrega uma amostra de KBr (solo da mesma maneira como amostras de solo (ver 4.1.1.2) para simular efeitos de matriz do solo) em um copo da amostra ou placa bem.
         Nota: O "espectro de fundo" é diferente do espectro de referência mineral enriquecido (ver 4.1.3) usado para realizar subtrações. O espectro de fundo será usado pelo software para remover atmosférico e outras absorvâncias ambientes durante a coleta dos espectros em amostras de solo. Todas as descrições de software são específicas para o software escolhido e terá de ser adaptado para outros softwares.
      2. Limpe a câmara de espectrômetro com CO₂- H₂O-limpo o ar (através de um gerador de gás de purga) ou gás de₂ N para maior consistência em condições de coleção. Por exemplo, a coleção dos espectros sob atmosfera ambiente pode implicar pequenas flutuações na umidade e CO₂ que podem causar alterações nos espectros de absorvância.
         Nota: Mais recentes espectrómetros podem ter espelhos (por exemplo, ouro, SiC) que potencialmente podem reduzir os efeitos da umidade.
      3. Colete um espectro de fundo usando o mesmo detector e aquisição parâmetro configurações, incluindo o número de verificação, variedade de wavenumber e resolução, que será usada para coletar espectros de amostras.
         1. Abrir o menu drop-down para experiência e selecione o método de coleta experimental desejado (por exemplo, modo de aquisição).
            Nota: neste exemplo usando o espectrômetro escolhido (consulte a Tabela de materiais), o método selecionado é o Compartimento principal de 50.
         2. Clique no ícone de Instalação Experimental para selecionar parâmetros espectrais de aquisição.
         3. Sob a guia de coletar , verificar que o número de exames e resolução é apropriado para objetivos experimentais; por exemplo, um cenário comum para espectros DRIFT de solos puro é 128 digitalizações com resolução de 4 cm^-1 . Clique Okey para salvar as alterações.
         4. Clique no ícone de Recolher fundo para coletar um espectro de fundo. Salve o espectro de fundo para uso na coleção de espectros dos solos (tratada e não tratada).
   3. Aquisição de espectros de amostras de solo.
      Nota: Use os mesmos parâmetros de aquisição para recolher fundo e amostra (solo não tratado, solo mineral enriquecido) espectros. Diferenças entre detectores no tempo de aquisição e resolução pose trade-offs que impacto qualidade espectral e hora da coleta. Números de varredura típica para gama de espectros de solo de scans de 128-512. Número de verificação pode ser diminuído e repetições em média para obter um número de verificação total do alvo. Por exemplo, duas repetições analíticas - a mesma amostra carregada em dois poços separados - podem ser coletadas usando 64 varreduras cada e em média para um total de 128 varreduras.
      1. Carrega a amostra de solo. Para assegurar o carregamento consistente e minimizar a rugosidade da superfície, despeje o copo da amostra amostras (ou bem) ao ponto de sobreenchimento ligeiramente acima do lábio ou a borda do copo. Em seguida, superfície suave o solo na Taça usando uma borda lisa (por exemplo, razor) tal que a altura do solo da amostra na taça é nivelado com o bordo da taça.
         Nota: Devido a interação de luz infravermelha com uma matriz como solo no modo de refletância difusa, carregamento da amostra pode influenciar espectros DRIFT. As amostras não devem ser batidas ou submetidas a pressão, porque a densidade de embalagem pode afetar a absorção. Tamanho de partícula mais fino das amostras garante maior facilidade de superfície suavização (Veja 4.1.2.1). Dependendo do modelo do espectrômetro e a densidade da amostra, a massa de amostra necessária para encher um copo de amostra variam de 300 a 600 mg. No caso dos poços da placa, isso também depende do tamanho bem. Placas com um maior número de poços terão poços menores e, portanto, exigirá menos amostra. Por exemplo, placas de 96 poços geralmente têm um bom volume de 360 µ l enquanto placas boas 24 têm um bom volume de 3,4 mL.
      2. Colete espectros de amostras de solo tratados e não tratados. Primeiro verifique se o espectro de fundo recolhido anteriormente (ver 4.1.2.3.4) é usado. Clique em configuração Experimental. Recolher na guia, selecione o arquivo de plano de fundo especificado de usar e carregar o arquivo de espectro de fundo. Clique Okey para salvar as alterações. Para começar a coleção espectral no solo, clique em Recolher a amostra.
         Nota: Re-carrega a mesma amostra em um bem diferente ou de amostra para coletar os espectros replicar conta para dispersão de artefatos produzidos pela rugosidade da superfície e pela variabilidade na densidade de matriz.
2. Realize subtrações espectrais.
   Nota: O fator de subtração (SF) pesa o grau ao qual absorvâncias no espectro de referência minerais são subtraídas do absorvâncias no correspondente número de onda no espectro do solo não tratado. Para subtrações focadas em melhorar a resolução das absorvâncias orgânicas para caracterizar o SOM, é aconselhável utilizar a totalidade do MIR oferecida pela maioria dos espectrômetros (por exemplo, 4.000 para 650 ou 400 cm^-1, dependendo do detector). As próximas etapas descrevem um método empírico para a determinação do SF. Todas as descrições de software são específicas para o software escolhido e terá de ser adaptado para outros softwares.
   1. Zero picos usando a opção de subtração do programa de software para alterar o fator de subtração (SF) para minimizar ou reduzir picos de mineral um alvo e/ou picos de minerais, e/ou maximizar uma linha de base linear¹⁴.
   2. Simultaneamente, selecione os espectros de solo tratados e não tratados e clique no ícone de subtração (centro superior da tela); o primeiro espectro selecionado (solo não tratado) será o espectro de espectro de segunda (solo Tratado) vai ser subtraído.
   3. Use a barra vertical alternância ou setas para aumentar ou diminuir o SF (lado esquerdo da tela). Observe as alterações no espectro de subtração visualizada.
      1. Use esse recurso iterativo para determinar um apropriado SF conforme descrito nos Resultados de representante. O valor numérico de SF aparece no meio da barra de alternância. Para ajustar os valores de intervalo de SF, use os botões Finer e Coarser .
   4. Para carregar o espectro de subtração calculada em uma janela, clique em Adicionar (lado superior direito da tela).
      Nota: Desde que a maioria dos minerais absorvâncias não são lineares com concentração na maioria (se não todas) as amostras de solo, geralmente não é viável para remover todos os picos de minerais. É recomendável que o minerais picos considerados menos propensos a inversão (por exemplo, quartzo, como Si-O em 2.100-1.780 cm^-1)¹⁴ ser usado como o pico do alvo para zero-out ajustando o SF.
   5. Registro e relatório metodológicos detalhes sobre como a subtração foi executada com detalhes suficientes para permitir o cálculo independente do mesmo espectro de subtração do espectro não tratada do solo, incluindo: (1) a região de wavenumber usada para subtração, (2). o SF ou gama de SFs usado e (3) o pico (mineral) ou região alvejada para zero-ing para fora.
      Nota: Um bom teste da confiabilidade de uma subtração é tê-lo realizado novamente pelo mesmo usuário e/ou independentemente por um usuário diferente, usando os parâmetros relatados subtração.
3. Interprete os espectros.
   1. Realize a interpretação espectral, usando vários recursos disponíveis para analisar e interpretar os espectros de subtração resultante, em particulares atribuições das absorvâncias de grupos funcionais orgânicos⁴.
      Nota: Outros usos dos espectros de subtração incluem análises multivariadas (por exemplo, análise de componentes principais), quimiométricas previsão de solo analitos²⁷e impressões digitais nem forense⁹.

Resultados

O método de remoção de SOM tem implicações práticas, bem como teóricas para a interpretação de espectros de subtração. Por exemplo, minerais, alterações da incineração de alta temperatura podem se manifestar como perdas ou aparições de picos e/ou como deslocou ou ampliaram a picos no espectro de referência mineral. Esses artefatos espectrais são propensos a ocorrer em regiões de sobreposição com bandas orgânicas em 1.600-900 cm^-1,²²

Discussão

O método de remoção de SOM carrega duas considerações: 1) a quantidade de SOM removido e artefatos 2) absorvância no mineral resultante de espectro de referência. É possível que felizmente — e indiscutivelmente necessário — para identificar e quantidade estas questões a fim de evitar interpretações tendenciosas de composição do SOM do espectro resultante da subtração. Idealmente, subtrações espectrais empregaria um espectro de referência somente mineral para produzir um espectro de SOM. 'pura' Na ...

Materiais

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