Name: improving infrared spectroscopy characterization of soil organic matter with spectral subtractions
Uploaded: 2019-01-10T12:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Improving Infrared Spectroscopy Characterization of Soil Organic Matter with Spectral Subtractions at JoVE.com

Мы высоко ценим рекомендации от д-р Рэнди Southard NaOCl окисления и различных дискуссий о спектральных вычеты с доктором Фунгаи F.N.D. Mukome.

1. Подготовка почвы для спектроскопии ДРИФТ лечение и удаление сом
<ol><li>Сито почву для < 2 мм с помощью сетки из нержавеющей стали («фракция штраф земля»). Примечание: Эта демонстрация работают два почвы аналогичные текстуру, но почти вывозимому разница в общее содержание сом (Табли...

Метод удаления сом носит два соображения: 1 количество сом удалены, и 2) поглощения артефакты в результате минеральных ссылки спектра. Это к счастью возможно — и возможно необходимые — для выявления и количество эти вопросы, с тем чтобы избежать предвзятых интерпретаций сом композиции ?...

Органического вещества почвы (SOM) является небольшие составляющей по массе в большинстве проб почвы, но причастны несколько свойств и процессов основной почвы функций, таких как питательных Велоспорт и углерода секвестрации1. Характеризуя состав СОМ является одним из нескольких подходов к ссылке формирования сом и оборот с его роли в почвенных функций2,3. Один из методов характеризации состав сом — Фурье преобразование инфракрасный (FTIR) спектроскопия, который предлагает обнаружение функциональных групп, которые составляют органического вещества в почвах и другие экологические пробы (например, карбоксильных C-O, алифатических C-H) 4. Однако, Утилита ФУРЬЕ спектроскопии для выявления сом функциональной группы состав оспаривается доминирующей минерального компонента для большинства почв (обычно > 95% массы) из-за сильных неорганических absorbances, которые ставят под угрозу или серьезно ограничивают обнаружения и интерпретации органических absorbances.
Спектральная вычеты предлагают способ улучшить FTIR спектральные характеристики органического вещества в пробах почвы. Вычитание минеральных absorbances от спектра почвы может использоваться для повышения absorbances органических функциональных групп интересов в анализе состава сом
(Рис. 1).
Преимущества спектральных вычеты над стандартным ФУРЬЕ спектроскопии (то есть, спектры почвы) включают в себя:
(i) улучшение резолюции и интерпретация полос поглощения органических, по сравнению с нормальной почвы спектров. Хотя интерпретация полос органических в спектрах почвы может осуществляться при условии, что относительные различия в оптической плотности, из-за различий в органических функциональных групп, это ограничивает сравнение образцы с же минералогии и относительно высокой сом содержание и могут быть менее чувствительны к изменениям в органических групп, даже те считались быть относительно свободной от минеральных (например алифатических стрейч C-H)5
(ii) анализ почв за высокие образцы сом или органические вещества обогащенный экстрактов или дроби
(iii) подсветка изменений, вызванных экспериментальное лечение от мезокосмах к полю весы6
Дополнительные применения спектрального вычеты в анализе ФУРЬЕ сом включают дополнение структурных и молекулярные характеристики (например, ЯМР спектрометрия, масс-спектрометрия)5,7, выявления состав сом, удалены путем извлечения или разрушительные фракционирование8и дактилоскопия состав СОМ для судебно-медицинских целей9. Этот метод применим к широкий спектр минеральных и органических смесей за пределами почвах, включая осадок10, торф11и угля12,13.
Потенциал спектральных вычеты для улучшения FTIR спектральные характеристики сом проявляется с использованием примеров удаления органических веществ для получения спектров полезных ссылок, а затем, используя эти минеральные ссылка спектры, выполнение и Оценка идеально и неидеальной спектральных вычеты. Эта демонстрация фокусируется на диффузного отражения инфракрасного Фурье спектры (дрейф), собранные в средней инфракрасной области (мир, 4000-400 см-1), как это широко подход для анализа проб почвы4.
Два примера методы удаления СОМ для получения спектра обогащенные минеральными ссылки являются (i) высокой температуры горения («озоления») и (ii) химическое окисление, использование разбавленных гипохлорита натрия (NaOCl). Следует отметить, что это примеры обычно занятых методы удаления сом, а не предписывающий характер рекомендаций. Другие методы удаления сом может предложить сокращение минеральных артефакты и/или Улучшено удаление ставок (например, низкой температуры озоления)14. Высокой температуры озоления был одним из первых методов, используемых для получения спектров обогащенные минеральными ссылку для выполнения вычеты, первоначально для образцов, ом обогащенный производного от почвы (например, растворенного органического вещества, помет)15, 16 следуют его применение для массового почвы образцы17,18. Химическое оксидирование примере используется для удаления сом основывается на методе окисления NaOCl, описываемого Андерсон19. Это был первоначально разработан как предварительной очистки для удаления органических веществ в пробах почвы до анализа дифракции рентгеновских лучей (XRD) и исследована как потенциальных химических фракционирования, чувствительных к СОМ стабилизации20, 21. как удаления высокой температуры и химического окисления с использованием NaOCl может повлечь за собой почвы специфических артефактов и имеют ограничения на спектральные толкование, которое следует учитывать при выборе метода сом удаления14, 22.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1093">
	<tbody>
		<tr height="19">
			<td height="19" style="height:19px;width:263px;">Nicolet iS50 spectrometer</td>
			<td style="width:180px;">Thermo Fisher Scientific</td>
			<td style="width:128px;">912A0760</td>
			<td style="width:523px;">infrared spectrometer used to collect spectra</td>
		</tr>
		<tr height="19">
			<td height="19" style="height:19px;width:263px;">EasiDiff</td>
			<td style="width:180px;">Pike Technologies</td>
			<td style="width:128px;">042-1040</td>
			<td>high throughput sample holder</td>
		</tr>
		<tr height="19">
			<td height="19" style="height:19px;width:263px;">OMNIC</td>
			<td style="width:180px;">Thermo Fisher Scientific</td>
			<td style="width:128px;">INQSOF018</td>
			<td>software used to perform subtractions</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:263px;">6% v/v sodium hypochlorite</td>
			<td style="width:180px;">Clorox</td>
			<td style="width:128px;">n/a</td>
			<td>generic store-bought bleach for oxidative removal of soil organic matter</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:263px;">Type 47900 Furnace</td>
			<td style="width:180px;">VWR International</td>
			<td style="width:128px;">30609-748</td>
			<td>muffle furnace for ashing soils to removal soil organic matter</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:263px;">VWR Gooch Crucibles, Porcelain&#160;</td>
			<td style="width:180px;">VWR International</td>
			<td style="width:128px;">89038-038</td>
			<td>crucibles for ashing</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:263px;">VWR Tube 50 mL Sterile CS500&#160;</td>
			<td style="width:180px;">VWR International</td>
			<td style="width:128px;">89004-364</td>
			<td>for sodium hypochlorite</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:263px;">Forced air oven</td>
			<td style="width:180px;">VWR International</td>
			<td>89511-414</td>
			<td>for drying soils after oxidation and water washes</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:263px;">VersaStar pH meter</td>
			<td style="width:180px;">Fisher Scientific</td>
			<td>13 645 573</td>
			<td>for measuring pH of oxidation solution</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

improving infrared spectroscopy characterization of soil organic matter with spectral subtractions

Органического вещества почвы (SOM) лежит в основе многочисленных почвенных процессов и функций. Фурье преобразование инфракрасной спектроскопии (FTIR) обнаруживает ИК активные органические облигации, которые представляют компонент органических почв. Однако относительно низким содержанием органических веществ почв (обычно < 5% по массе) и параллелизма поглощение минеральных и органических функциональных групп в регионе (MIR) средней инфракрасной (4000-400 см-1) порождает существенные помехи, доминантная(ый) Минеральные absorbances, сложной или даже предотвращения интерпретации спектров для характеризации сом. Спектральные вычеты, пост специальной математической обработки спектров, можно снизить минеральные вмешательства и повысить разрешение спектральных регионов, соответствующих органических функциональных групп, математически удалив минеральных absorbances. Это требует обогащенные минеральными ссылка спектра, который можно эмпирически получить образец данного почвы путем удаления сом. Минерал обогащенный ссылка спектра вычитается из оригинального (необработанных) спектр пробы почвы для получения спектра представляющих сом absorbances. Общие методы удаления сом включают высокой температуры горения («озоления») и химическое окисление. Выбор метода удаления сом носит два соображения: (1 количество сом удалены, и (2) поглощения артефакты в минерале ссылаться спектра и, таким образом, результирующая вычитания спектра. Эти потенциальные проблемы можно и следует выявлять и количественно во избежание ошибочных или предвзятой интерпретации спектров органических функциональной группы состав сом. После удаления сом полученный обогащенные минеральными образец используется для сбора спектр полезных ссылок. Существуют несколько стратегии для выполнения вычеты в зависимости от экспериментальных целей и образец характеристики, прежде всего определение коэффициента вычитания. Результате вычитания спектра требует тщательного толкования на основе вышеупомянутой методологии. Для многих почвы и других экологических проб, содержащих значительные минеральные компоненты вычеты имеют сильный потенциал для улучшения FTIR спектральные характеристики состава органического вещества.

Метод удаления SOM имеет как практическое, так и теоретические последствия для интерпретации спектров вычитание. Например минеральных изменения от высокой температуры озоления может проявляться как потери или появления пиков и/или как перенесен или расширить пики в с...

Watch this Scientific Journal Video about Improving Infrared Spectroscopy Characterization of Soil Organic Matter with Spectral Subtractions at JoVE.com

Improving Infrared Spectroscopy Characterization of Soil Organic Matter with Spectral Subtractions

SOM лежит в основе многих почвенных функций и процессов, но его характеристика методом ФУРЬЕ-спектроскопии часто оспаривается минеральных взаимодействиями. Описан метод может увеличить полезность сом анализа методом ФУРЬЕ-спектроскопии путем вычитания минеральных вмешательств в почве спектры с использованием эмпирически полученных спектров полезных ссылок.

Улучшение инфракрасной спектроскопии характеристика органического вещества почвы с спектральных вычеты

Soil organic matter (SOM) underlies numerous soil processes and functions. Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy detects infrared-active organic ...

Этот метод может помочь улучшить характеристику органических веществ и экологических твердых матриц, таких как почвы и отложения. Основным преимуществом этого метода является то, что он может уменьшить минеральные помехи в спектре почвы, которые ограничивают интерпретацию компонента органического вещества почв. Последствия этого метода распространяются и на другие экологические пробы, в которых доминируют минералы, помимо почв, такие, как отложения и ископаемые минералы.Как правило, лица, новые для этого метода будет бороться с определением оптимального фактора вычитания. Важно иметь в виду, что это оперативно определяется вашими экспериментальными целями. Держите этот ум при изучении значений фактора вычитания.Моя лаборатория работает над вычитанием уже около 10 лет, с основной целью выявления абсорбций полос, связанных с качеством органического углерода почвы. Первоначально мы хотели изучить роль ветровой эрозии в удалении различных форм углерода почвы из сельскохозяйственных почв. Визуальная демонстрация этого метода полезна, потому что трудоемкие шаги окисления и корректировка фактора вычитания требует некоторой практики, делая, что может быть информировано, наблюдая, как другие выполняют эти процедуры.Во-первых, сито почвы до менее двух миллиметров, используя сетку из нержавеющей стали. После этого, отрегулируйте рН 6% гипохлорита натрия до 9,5, добавив один молярной соляной кислоты капли мудрым к раствору, при смешивании и измерении с рН метр. Добавьте 25 мл рН 9,5 гипохлорита натрия в 4 грамма просеянной почвы в конической трубке 50 мл и смешайте с помощью звуковой линии.После sonication, инкубировать смесь в 80 градусов по Цельсию водяной бане в течение 15 минут, чтобы увеличить скорость окисления. Центрифуга смеси, чтобы получить четкий супернатант. Затем вручную высасывьте супернатант в мусорный контейнер.После последнего шага окисления добавьте в почву 20 мл деионизированной воды и смешайте в течение пяти минут с помощью горизонтального шейкера при 120 об/мин. Центрифуга образца при комнатной температуре в течение 15 минут при 4000 раз г. Используя шпатель и деионизированную воду из бутылки шприца по мере необходимости, перенесите гранулы почвы со дна центрифуги в пластиковую лодку для взвешивания.Затем духовка высушит образец при температуре 60 градусов по Цельсию в течение 48 часов. После того, как образец почвы высохнет, количественно общее содержание органического углерода путем сжигания газа хроматографии, с помощью анализатора CN. Для удаления SOM при высокой температуре сгорания, мера от одного до двух граммов просеянной почвы в фарфоровый тигель, используя шпатель.Затем нагрейте образец при температуре 550 градусов по Цельсию в течение трех часов, используя муфту печи. Измельчить необработанные и обработанные образцы почвы до аналогичной консистенции вручную. После этого загрузите ранее наземный образец KBr в образец чашки спектрометра FTIR.Чтобы собрать фоновый спектр, откройте меню высадки для эксперимента и выберите желаемый экспериментальный метод сбора в программном обеспечении. Нажмите на значок экспериментальной установки, чтобы выбрать параметры спектрального приобретения. Под вкладкой сбора убедитесь, что количество сканирований и разрешение подходят для экспериментальных целей.Нажмите хорошо, чтобы сохранить изменения. Затем нажмите значок фона сбора, чтобы собрать фоновый спектр. Затем вылейте образец почвы в чашку образца до точки слегка переполняния, чтобы обеспечить последовательную загрузку и свести к минимуму шероховатости поверхности.Затем поверхность разглаживает почву в чашке, используя плоский край, так что высота образца почвы заподлицо с губой чашки. Чтобы собрать спектры необработанных и обработанных образцов почвы, нажмите экспериментальную установку. Под вкладкой сбора выберите указанный фоновый файл и загрузите файл фонового спектра.Затем щелкните хорошо, чтобы сохранить изменения. Чтобы начать спектральный сбор на почве, нажмите собрать образец. Для выполнения спектральных вычитания обнуляйте пики, используя опцию вычитания программного обеспечения; чтобы изменить фактор вычитания, свести к минимуму или уменьшить целевые минеральные пики и/или максимизировать линейный базовый уровень.Одновременно выберите необработанные и обработанные спектры почвы и нажмите значок вычитания. Первый необработанный спектр почвы выбран, будет спектр, из которого второй обработанный спектр почвы будет вычитаться. Используйте вертикальный переключатель бар и стрелки, чтобы увеличить или уменьшить фактор вычитания.Наблюдайте за изменениями в предварительном спектре вычитания. Наконец, нажмите добавить, чтобы загрузить расчетный спектр вычитания в окно. Общие изменения минеральных полос после высокой температуры золы, включают потерю ПИК OH и пиковые потери и сдвиги в решетке кремния кислорода и алюминия кислорода пиков.Почва А потеряла 89% органического углерода почвы в результате окисления гипохлорита натрия, по сравнению с 97%путем золы, сохраняя при этом функции абсорбции минералов, измененные золой. По мере увеличения коэффициента вычитания, поглощение пиков, соответствующих минералам, уменьшается, прежде всего, OH и кремниевого кислорода. Параллельно, абсорбция увеличивается для органических функциональных групп, таких как алифатический CH, амиде CN и NH, и / или ароматические CC.Though обнуление кварца, как кремний кислорода в 2100 до 1780 Wavenumber достигается с коэффициентом вычитания 0,76, видные W-образные инверсии, что интерпретация спектра вычитания должна быть ограничена более чем 1200 Wavenumber.Повышение алифатического растяжения CH путем чрезмерного вычитания спектра минеральных ориентиров делает оставшиеся спектры неимовесительными, включая регион, соответствующий большинству органических функциональных групп, имеющих отношение к характеристике SOM. Для данного метода удаления SOM, различия визуально очевидны между спектрами вычитания высоких и низких органических почв вещества, которые менее заметны или отсутствуют в необработанных спектров почвы. При попытке этой процедуры, важно помнить, чтобы выполнить контроль качества, такие как проверка количества органических веществ, удаленных определенным методом и для конкретного образца.Важно также оценить коэффициент вычитания пригодности для экспериментальных целей. Следуя этой процедуре, другие методы, такие как ядерный магнитный резонанс или масс-спектрометрия, могут быть выполнены для того, чтобы предоставить дополнительную информацию о структуре органических веществ почвы. С его продолжающимся развитием, этот метод помогает исследователям в области почвоведения, геохимии и осадочных пород, исследовать функциональный групповой состав органического вещества в минеральных доминирующих образцов.После просмотра этого видео, вы должны иметь хорошее понимание того, как удалить органическое вещество из образцов почвы, чтобы произвести обогащенный минералами справочный спектр для выполнения вычитания минеральных абсорбции. Не забывайте, что работа с окислителей, таких как гипохлорит натрия, может быть опасным. Меры предосторожности, такие как средства индивидуальной защиты, всегда должны быть приняты при выполнении этой процедуры.

Research

JoVE Journal

Environment

Design and Operation of a Continuous 13C and 15N Labeling Chamber for Uniform or Differential, Metabolic and Structural, Plant Isotope Labeling

Design and Operation of a Continuous 13C and 15N Labeling Chamber for Uniform or Differential, Metabolic and Structural, Plant Isotope Labeling

Устройство и принцип действия непрерывного<sup&gt; 13</sup&gt; С и<sup&gt; 15</sup&gt; N Маркировка палата для Uniform или дифференциальный, Метаболический и структурная, завод Изотоп Маркировка

Tracing rare stable isotopes from plant material through the ecosystem provides the most sensitive information about ecosystem processes; from CO2 fluxes ...

Assessment of Labile Organic Carbon in Soil Using Sequential Fumigation Incubation Procedures

Оценка лабильного органического углерода в почве Использование процедур последовательного Фумигация инкубационного

Management practices and environmental changes can alter soil nutrient and carbon cycling. Soil labile organic carbon, a readily decomposable C pool, is ...

A Gusseted Thermogradient Table to Control Soil Temperatures for Evaluating Plant Growth and Monitoring Soil Processes

A Таблица складками термоградиентный для управления температуры почвы для оценки роста растений и мониторинга почвенных процессов

Thermogradient tables were first developed in the 1950s primarily to test seed germination over a range of temperatures simultaneously without using a ...

Understanding Dissolved Organic Matter Biogeochemistry Through In Situ Nutrient Manipulations in Stream Ecosystems

Understanding Dissolved Organic Matter Biogeochemistry Through In Situ Nutrient Manipulations in Stream Ecosystems

Понимание растворенное органическое вещество биогеохимии Через<em&gt; В Ситу</em&gt; Питательные манипуляциях в потоке экосистемам

Dissolved organic matter (DOM) is a highly diverse mixture of molecules providing one of the largest sources of energy and nutrients to stream ecosystems. ...

A Lipid Extraction and Analysis Method for Characterizing Soil Microbes in Experiments with Many Samples

Метод липидной экстракции и анализа для характеристики микробов почвы в экспериментах со многими образцами

Microbial communities are important drivers and regulators of ecosystem processes. To understand how management of ecosystems may affect microbial ...

Production and Measurement of Organic Particulate Matter in a Flow Tube Reactor

Производство и измерение органических частиц в реакторе трубки потока

Organic particulate matter (PM) is increasingly recognized as important to the Earth's climate system as well as public health in urban regions, and the ...

Production and Measurement of Organic Particulate Matter in the Harvard Environmental Chamber

Производство и измерение органических частиц в зале окружающей среды Гарвардского

The production and the evolution of atmospheric organic particulate matter (PM) are insufficiently understood for accurate simulations of atmospheric ...

Characterization of Aquatic Biofilms with Flow Cytometry

Характеристика водных биоплёнки с проточной цитометрии

Biofilms are dynamic consortia of microorganism that play a key role in freshwater ecosystems. By changing their community structure, biofilms respond ...

Use of Principal Components for Scaling Up Topographic Models to Map Soil Redistribution and Soil Organic Carbon

Использование основных компонентов для масштабирования Топографическая модели для сопоставления перераспределения земли и почвы органического углерода

Landscape topography is a critical factor affecting soil formation and plays an important role in determining soil properties on the earth surface, as it ...