Mejorar la caracterización de la espectroscopia infrarroja de materia orgánica del suelo con restas espectrales

SOM es la base de muchos procesos y funciones del suelo, pero su caracterización por espectroscopia FTIR es desafiado a menudo por interferencias minerales. El método descrito puede aumentar la utilidad del análisis SOM por espectroscopia FTIR restando interferencias minerales en espectros del suelo usando empíricamente obtenidos espectros de referencia mineral.

Materia orgánica del suelo (SOM) es la base de numerosas funciones y procesos del suelo. Fourier transforma infrarrojo (FTIR) la espectroscopia detecta infrarrojos activos bonos orgánicos que constituyen el componente orgánico de los suelos. Sin embargo, el contenido de materia orgánica relativamente bajo de los suelos (comúnmente < 5% por masa) y absorbancia superposición de grupos funcionales orgánicos y minerales en la región (MIR) de infrarrojo medio (4.000-400 cm^-1) genera interferencia substancial por dominantes absorbancia de minerales, un desafío o incluso prevenir la interpretación de los espectros para la caracterización de SOM. Sustracciones espectrales, un tratamiento matemático de post-hoc de espectros, pueden reducir la interferencia mineral y mejorar resolución de regiones espectrales correspondientes a grupos funcionales orgánicos quitando matemáticamente absorbancia mineral. Esto requiere de un espectro de referencia enriquecida con minerales, que puede obtenerse empíricamente en una muestra de suelo dado mediante la eliminación de SOM. El espectro de referencia enriquecida con minerales se resta del espectro original (sin tratamiento) de la muestra de suelo para producir un espectro que representa la absorbancia del SOM. Métodos de eliminación de SOM comunes incluyen combustión a alta temperatura ('cenizas') y oxidación química. Selección del método de eliminación de SOM lleva dos consideraciones: (1) la cantidad de SOM eliminado y artefactos (2) absorbancia en el mineral de referencia espectro y por lo tanto el espectro resultante de la resta. Estos posibles problemas pueden y debe, identificados y cuantificados con el fin de evitar interpretaciones falaces o sesgadas de espectros para grupo funcional orgánico composición de SOM. Después del retiro de SOM, la muestra enriquecida con minerales resultante se utiliza para recoger un espectro de referencia de minerales. Existen varias estrategias para realizar restas dependiendo de los objetivos experimentales y características de la muestra, en particular la determinación del factor de resta. El espectro resultante de la resta requiere cuidado de interpretación basada en la metodología mencionada. Para muchos suelos y otras muestras ambientales que contiene componentes mineral substanciales, restas tienen gran potencial para mejorar la caracterización espectroscópica de FTIR de la composición de la materia orgánica.

Materia orgánica del suelo (SOM) es un componente menor en masa en la mayoría de las muestras de suelo, pero está implicada en varias propiedades y procesos funciones de suelo subyacente, como nutrientes bicicleta y carbono secuestro¹. Caracterización de la composición de la MOS es uno de los varios enfoques para vincular formación SOM y facturación con su rol en el suelo las funciones^2,3. Un método de caracterización de la composición de SOM es Fourier transforma (FTIR) espectroscopia infrarroja, que ofrece la detección de grupos funcionales que constituyen la materia orgánica en suelos y otras muestras ambientales (por ejemplo, carboxilo C-O, alifático C-H) ⁴. sin embargo, la utilidad de la espectroscopia FTIR para revelar la composición del grupo funcional SOM es desafiada por el componente mineral dominante para la mayoría de los suelos (típicamente > 95% masa) debido a la fuerte absorbancia inorgánico que desafían o limitar severamente la detección e interpretación de absorbancia orgánica.

Sustracciones espectrales ofrecen una forma de mejorar la caracterización espectroscópica de FTIR de la materia orgánica en muestras de suelo. Restando minerales absorbancia del espectro del suelo puede utilizarse para realzar absorbencia de grupos funcionales orgánicos de interés en el análisis de composición de SOM

(Figura 1).

Ventajas de sustracciones espectrales sobre espectroscopía FTIR estándar (es decir, espectros de suelo) incluyen:

(i) mejorar la resolución e interpretación de bandas de absorción orgánica en comparación con espectros de suelo normal. Aunque la interpretación de bandas de orgánicos en espectros del suelo puede realizar asumiendo que las diferencias relativas en la absorbancia son debido a diferencias en los grupos funcionales orgánicos, esto limita las comparaciones con las muestras con la misma mineralogía y SOM relativamente alta contenido y pueden ser menos sensibles a los cambios en bandas orgánicos, incluso ésos considerados ser relativamente libre de minerales (por ejemplo, estiramiento de C H alifáticos)⁵

(ii) el análisis de suelos más allá de muestras SOM o extractos enriquecida con materia orgánicos o fracciones

(iii) destacando los cambios inducidos por tratamientos experimentales de mesocosmos a campo escala⁶

Aplicaciones adicionales de sustracciones espectrales en análisis FTIR de la MOS incluyen complementando las caracterizaciones estructurales y moleculares (por ejemplo, espectroscopia NMR, espectrometría de masas)^5,7, identificando la composición de SOM quitado por una extracción o fraccionamiento destructivo⁸y huellas dactilares composición SOM para fines forenses⁹. Este método es aplicable a una amplia variedad de mezclas de minerales orgánicos más allá de los suelos, incluyendo sedimentos¹⁰,¹¹de turba y carbón^12,13.

El potencial de sustracciones espectrales para mejorar la caracterización espectroscópica de FTIR de la MOS es demostrado con ejemplos de remoción de materia orgánica para obtener espectros de referencia de mineral, y luego, utilizando estos minerales referencia spectra, realizar y evaluación sustracciones espectrales ideales y no ideal. Esta demostración se centra en reflectancia difusa infrarroja de Fourier espectros (deriva) recolectados en la región del infrarroja medio (MIR, 4.000-400 cm^-1), ya que este es un enfoque generalizado para el análisis de muestras de suelo⁴.

Los métodos de dos ejemplo de eliminación SOM para la obtención de un espectro de referencia enriquecida con minerales son (i) alta temperatura combustión ('cenizas') y (ii) química oxidación, utilizando hipoclorito de sodio diluido (NaOCl). Cabe señalar que estos son ejemplos de métodos de eliminación de SOM comúnmente empleados, en lugar de recomendaciones prescriptivas. Otros métodos de eliminación de SOM pueden ofrecer artefactos de minerales reducidos o mayor eliminación de tarifas (p. ej., intermitentes de baja temperatura)¹⁴. Intermitentes de alta temperatura fue uno de los primeros métodos utilizados para obtener espectros de referencia enriquecida con minerales para realizar sustracciones, inicialmente para las muestras enriquecidas con OM derivados de suelos (e.g., materia orgánica disuelta, camada)^{15, 16} , seguido por su aplicación a suelo muestras^17,18. La oxidación química de ejemplo utilizada para quitar el SOM se basa en el método de oxidación de NaOCl descrito por Anderson¹⁹. Esto fue desarrollado originalmente como un pretratamiento para la eliminación de materia orgánica en muestras de suelo antes del análisis de difracción de rayos x (DRX) y ha sido investigado como un posible fraccionamiento químico sensible a SOM estabilización^{20, 21}. retiro de alta temperatura y oxidación química usando NaOCl pueden implica artefactos específicos del suelo y tienen limitaciones en la interpretación de espectros que debe considerarse al seleccionar un método de eliminación de SOM^{14, 22}.

1. preparar el suelo para espectroscopia deriva no tratadas y el retiro de SOM

1. Tamice el suelo < 2 mm utilizando una malla de acero inoxidable (la ' fracción de tierra fina').
   Nota: Esta demostración emplea dos suelos de textura similar pero una diferencia casi 3-fold en el contenido total de SOM (tabla 1).

2. SOM eliminación por oxidación química: ejemplo de NaOCl

1. Ajustar el pH de 6% w/v NaOCl a pH 9.5 añadiendo 1 M HCl gota a gota a la solución de mezcla y medición con un medidor de pH.
   Nota: Blanqueadores más comerciales (por ejemplo, Clorox) son adecuados en calidad y concentración (típicamente 3-7% NaOCl v/v) pero tienen pH > 12. Como NaOCl oxidación de materia orgánica es dependiente del pH y pH 9.5 se recomienda para su uso con muestras de suelo^19,23, es necesario ajustar el pH de la mayoría blanqueadores disponibles comercialmente.
2. Añadir 25 mL de NaOCl (6% w/v, pH 9.5) al suelo de 4 g (tamizado, secado aire) en un tubo cónico de 50 mL y mezclar por sonicación (600 s, salida de frecuencia 20 kHz, potencia 200 W).
3. Incubar la mezcla en un baño de agua caliente (15 min, 80 ° C) para aumentar la tasa de oxidación.
4. Centrifugar para obtener un sobrenadante transparente (por ejemplo, 15 min a 4.000 x g para suelos con textura más gruesas, temperatura ambiente). Manualmente, decantar el sobrenadante en un recipiente de desechos.
   Nota: La concentración de NaOCl en el sobrenadante (conservadoramente suponiendo que no hay oxidación y por lo tanto no hay consumo de NaOCl) es el mismo que lejía disponible comercialmente para uso doméstico. Más fina textura suelos pueden requerir más tiempo de centrifugación (por ejemplo, hasta un 15-30 min adicional) a una velocidad centrífuga dada (por ejemplo, 4.000 × g) para obtener un sobrenadante transparente.
5. Repita los pasos 2.3 y 2.4 dos veces para un total de tres pasos de oxidación.
6. Después de la última etapa de oxidación, añadir 20 mL desionizada H₂O (dH₂O) al suelo y mezclar durante 5 min mediante un agitador horizontal (120 rpm). Centrifugar 15 min a 4.000 x g y temperatura ambiente. Repita para un total de tres tratamientos.
7. Utilizando una espátula y dH₂O de una botella de squirt según sea necesario, extraer y lavar a la pastilla de suelo de la parte inferior del tubo de centrífuga en un recipiente plástico pesan barco (u otro recipiente con elevada área superficial). Secado en horno (60 ° C máximo, 48 horas) a un estado secado al aire.
8. Una vez que la muestra de suelo se seca, cuantificar el contenido de carbono orgánico total por cromatografía de gas de combustión usando un analizador C/N del²⁴. Calcular el retiro SOM como la diferencia en la concentración de carbono orgánico antes y después del tratamiento de la oxidación.
   Nota: Debido a la pérdida de materia orgánica y estructura del suelo, suelo será propenso a la formación de costras, en particular para suelos con bajo contenido de arena. Puede ser necesario aplicar presión suave o pulido para volver a homogeneizar el suelo scabies de la mano. Suelos con carbono inorgánico (es decir, carbonatos) requieren pasos adicionales para la cuantificación de carbono orgánico por combustión de gas cromatografía^25,26.

3. SOM eliminación por combustión a alta temperatura

1. Medida ~ 1-2 g de suelo (tamizado, secado aire) en un crisol de porcelana con una espátula.
2. Calentar a 550 ° C por 3 h con un horno de mufla.
   Nota: Este es un método de ejemplo de la eliminación del SOM usando combustión a una temperatura relativamente alta. Se refieren a la discusión sobre los procedimientos alternativos (p. ej., temperatura).

4. Espectroscopía de la deriva

Nota: Para este ejemplo, se utilizará el software de espectrómetro FTIR enumerado en la Tabla de materiales .

1. Adquisición de espectros de suelo sin tratamiento y muestra de referencia enriquecido mineral (tratada para eliminar SOM).
   1. Preparar las muestras de suelo.
      1. Diluir las muestras (opcionales).
         1. Grado analítico de uso KBr (u otros sal de haluro) secado a 105 ° C y almacenados en un desecador para eliminar la humedad residual. Para las muestras de suelo, se logra efectivas diluciones de KBr en un rango de 1-33%, en contraste con < 1% de compuestos puros.
         2. Mezcla de suelo y KBr para un tamaño de muestra final de 100-400 mg. Por ejemplo, para una dilución de 3%, suavemente moler 12 mg de muestra seca con 60 mg de KBr para 60 s con un mortero de ágata y Maja. Entonces, 'doble' 328 mg de KBr para homogeneizar completamente la muestra.
         3. Usar diluciones seriadas con KBr para obtener una tasa de dilución final alta (< 1%). Realizar diluciones replicadas para asegurar reproducibilidad, especialmente puesto que las muestras diluidas utilizan 10¹-10² menos suelo que muestras ordenadas.
      2. Moler las muestras de suelo sin tratar y tratada con consistencia similar a mano de pulido y tamizado (por ejemplo, 250 μm utilizando un tamiz # 60).
         Nota: En comparación con a mano pulido, mayor consistencia facilita automatización, en particular por molienda de bola. Sin embargo, la relativamente pequeña cantidad de suelo utilizado en el medio de eliminación (p. ej., 1-3 g para intermitente debido al volumen del crisol) SOM mano de pulido puede ser más práctico.
   2. Recoge el espectro de fondo.
      1. Cargar una muestra de KBr (tierra de la misma manera que las muestras de suelo (ver 4.1.1.2) para imitar los efectos de la matriz de suelo) en una taza de muestra o bien la placa.
         Nota: El "espectro de fondo" es diferente del espectro de referencia enriquecida con minerales (véase 4.1.3) utilizados para realizar restas. El espectro de fondo se utilizará el software para quitar atmosférico y otros ambiente absorbancia durante la recogida de espectros de muestras de suelo. Todas las descripciones de software son propios del programa elegido y tendrán que adaptarse a otro software.
      2. Purgar la cámara del espectrómetro con CO₂- y H₂lavados O aire (a través de un generador de gas de purga) o con gas de₂ N para mayor consistencia en las condiciones de la colección. Por ejemplo, la colección de espectros en atmósfera ambiente puede implicar pequeñas fluctuaciones en la humedad y de CO₂ que pueden causar cambios en los espectros de absorbancia.
         Nota: Espectrómetros más nuevos pueden tener espejos (p. ej., oro, SiC) que potencialmente pueden reducir los efectos de la humedad.
      3. Recoge un espectro de fondo con la misma configuración de parámetro detector y adquisición, incluyendo el número de análisis, número gama y resolución, que será utilizada para recoger los espectros de las muestras.
         1. Abra el menú desplegable para experimento y seleccione el método deseado colección experimental (p. ej., modo de adquisición).
            Nota: en este ejemplo usando espectrómetro solicitada (ver la Tabla de materiales), el método seleccionado es el Compartimiento principal de iS50.
         2. Haga clic en el icono de Configuración Experimental para seleccionar parámetros de adquisición espectral.
         3. En la pestaña de recoger , verificar que el número de análisis y resolución es apropiado para objetivos experimentales; por ejemplo, un escenario común para espectros deriva de suelos aseados es 128 análisis en la resolución de 4 cm^-1 . Haga clic en Ok para guardar los cambios.
         4. Clic en el icono de Recoger fondo para recoger un espectro de fondo. Guardar el espectro de fondo para uso de la colección de espectros de suelos (tratados y no tratados).
   3. Adquisición de espectros de muestras de suelo.
      Nota: Utilice los mismos parámetros de adquisición para recoger fondo y muestra (suelo sin tratar, enriquecida con minerales del suelo) espectros. Diferencias entre detectores en tiempo de la adquisición y la resolución plantean ventajas y desventajas que afectan el tiempo de colección y calidad espectral. Números de análisis típico para suelo espectros entre las exploraciones 128-512. Puede reducirse el número de análisis y un promedio de repeticiones para obtener un número de análisis objetivo total. Por ejemplo, dos repeticiones analíticas - la misma muestra en dos pozos separados - pueden recogerse utilizando 64 escaneos y promedió un total de 128 análisis.
      1. Carga de la muestra de suelo. Para asegurar carga constante y minimizar la rugosidad de la superficie, verter las muestras en la taza de muestra (o bien) hasta el punto de rebose ligeramente sobre el labio o borde de la Copa. Superficie lisa del suelo en la Copa con un borde plano (p. ej., maquinilla de afeitar) tal que la altura del suelo de la muestra en la Copa es al ras con el borde de la Copa.
         Nota: Debido a la interacción de la luz infrarroja con una matriz como el suelo en el modo de reflectancia difusa, carga de la muestra puede influir en espectros de deriva. Muestras no deben pisarlo o sometidas a presión porque la densidad del embalaje puede afectar la absorción. Tamaño de partícula más fino de muestras garantiza mayor facilidad de superficie de alisado (véase 4.1.2.1). Dependiendo del tipo de espectrómetro y la densidad de la muestra, la masa de muestra necesario para llenar la taza de muestra van desde 300 a 600 mg. En el caso de pozos de la placa, esto también depende del tamaño del pozo. Las placas con un mayor número de pozos tendrán pozos más pequeños y por lo tanto requieren menos muestra. Por ejemplo, placas de 96 pocillos comúnmente tienen un volumen bien de 360 μl mientras que placas de 24 pocillos tienen un volumen bien de 3,4 mL.
      2. Recoger los espectros de muestras de suelo sin tratar y tratadas. Primero Compruebe que el espectro de antecedentes recogido previamente (véase 4.1.2.3.4) se utiliza. Haga clic en configuración Experimental. En la pestaña de recoger , seleccione uso fondo especificado archivo y cargar el archivo de espectro de fondo. Haga clic en Ok para guardar los cambios. Para iniciar la colección espectral en el suelo, haga clic en Recoger muestra.
         Nota: Vuelva a cargar la misma muestra en una taza de muestra a recoger los espectros replicados para tener en cuenta para artefactos de dispersión producidos por la rugosidad de la superficie y por la variabilidad en la densidad de la matriz o bien diferentes.
2. Realizar sustracciones espectrales.
   Nota: El factor de resta (SF) pesa el grado al que se resta absorbancia en el espectro de referencia de mineral de absorbancia en el número correspondiente en el espectro del suelo sin tratar. Para sustracciones que se centró en mejorar la resolución de absorbancia orgánica para caracterizar SOM, es aconsejable utilizar la totalidad de la MIR por mayoría espectrómetros (p. ej., 4.000 a 650 o 400 cm^-1, según el detector). Los pasos siguientes describen un método empírico para la determinación de la SF. Todas las descripciones de software son propios del programa elegido y tendrán que adaptarse a otro software.
   1. Cero a picos mediante la opción restar del programa para cambiar el factor de resta (SF) para minimizar o reducir un picos mineral blanco o picos de minerales, o para maximizar una base lineal¹⁴.
   2. Al mismo tiempo seleccionar los espectros del suelo sin tratar y tratada y haga clic en el icono restar (centro superior de la pantalla); el primer espectro seleccionado (suelo) será el espectro de la cual se restará el segundo espectro (suelo tratado).
   3. Utilice la barra vertical de la palanca o las flechas para aumentar o disminuir el SF (izquierdo de la pantalla). Observar los cambios en el espectro de vistas previas de la substracción.
      1. Utilice esta función iterativa para determinar un SF apropiado como se describe en Los resultados de representante. El valor numérico de SF aparece en medio de la barra de la palanca. Para ajustar los valores de rango de SF, utilice los botones más fino y menos .
   4. Haga clic en Add (arriba a la derecha de la pantalla) para cargar el espectro calculado de la resta en una ventana.
      Nota: Ya que la mayoría de mineral de absorbancia no es lineal con la concentración en la mayoría (si no todos) de las muestras de suelo, generalmente no es factible para eliminar los picos de minerales. Es aconsejable que picos minerales considerados menos propensos a la inversión (p. ej., cuarzo-como Si-O en 1.780 2.100 cm^-1)¹⁴ se utiliza como el máximo objetivo a cero mediante el ajuste de la SF.
   5. Registro e informe detalles metodológicos sobre cómo se realizó la resta con el detalle suficiente para permitir el cálculo independiente del mismo espectro de la resta del espectro del suelo sin tratar, incluyendo: (1) la región de wavenumber utilizada para restar, (2). la SF o la gama de SFs usada y (3) el pico (mineral) o la región destinada a cero-ing hacia fuera.
      Nota: Una buena prueba de la fiabilidad de una resta es realizada de nuevo por el mismo usuario o independientemente por un usuario diferente utilizando los parámetros reportados resta.
3. Interpretar los espectros.
   1. Realizar interpretación espectral usando varios recursos disponibles para analizar e interpretar los espectros resultantes de resta, en particular tareas de absorbancia a grupos funcionales orgánicos⁴.
      Nota: Otras aplicaciones de espectros resta incluyen análisis multivariado (p. ej., análisis de componentes principales), predicción quimiométricas de suelo analitos²⁷y huellas dactilares incluso forense⁹.

El método de eliminación de SOM tiene implicaciones tanto práctica como teóricas para la interpretación de espectros de resta. Por ejemplo, alteraciones de digestión de alta temperatura se pueden manifestar como pérdidas o apariciones de picos o como mineral cambió de puesto o ampliado picos en el espectro de referencia de minerales. Estos artefactos espectrales son propensos a ocurrir en las regiones de superposición con grupos orgánicos en 1.600-900 cm^-1,²² comprometer la interpretación de bandas de orgánicos. Cambios comunes de minerales bandas tras intermitentes de alta temperatura (≥ 550 ° C) son evidentes en la figura 2 e incluyen pérdida de OH picos en 3.600 3.700 cm^-1y las pérdidas pico y turnos en enrejado O Si y Al-O picos en 1.050-800 cm^-1. Por otro lado, SOM retiro mediante oxidación química tiende a preservar minerales de grupos funcionales y así corre el riesgo de menos artefactos (ver discusión). Sin embargo, esto normalmente tiene un precio de más bajo SOM retiro²⁸, evidenciada por los suelos de ejemplo (tabla 2). Esto restringe la interpretación de la composición del grupo funcional orgánico en el espectro de la resta a menos que la piscina total de SOM.

Oxidación química puede ser una alternativa atractiva a intermitente para decorar fondos minerales porque generalmente preservar estructura mineral y así evitar características artifactual absorbancia en espectros de referencia y por lo tanto la resta resultante espectro de^14,22. Por ejemplo, suelo un 89% perdida de carbono orgánico del suelo (COS) por oxidación de NaOCl en comparación con 97% de cenizas (tabla 2) conservando características de la absorción de minerales alterados por intermitentes (figura 2). Por otro lado, eliminación incompleta y potencialmente selectiva de SOM es decir materia orgánica resistente al NaOCl no será caracterizado^5,29,30, que requieren una interpretación muy cuidadosa de la sustracción espectro de¹⁴. Cuantificación de SOM pérdida con cada tratamiento de oxidación adicional realizado permite identificar el número óptimo de tratamientos oxidativos para la eliminación de SOM. Evaluación del método de oxidación de ejemplo utilizando NaOCl demostró que retiro SOM plateaued después de 3 pasos de oxidación independientemente si SOM contenido de muestras fue baja (< 2% C) o alta (36% C). Con cada paso sucesivo de la oxidación, el color del sobrenadante es probable cambiar de distintos tonos de púrpura/negro/naranja a rojo Pardo más claro hasta el color amarillo-verdoso original de bleach (es decir, unreacted NaOCl diluido).

Molienda para reducir y homogeneizar el tamaño de partícula del suelo puede mejorar calidad espectral reduciendo la dispersión de la luz de las partículas grandes e inversión de absorber fuertemente los componentes³¹. Aunque un tamaño de partícula máximo de 250-100 μm ha sido considerado como óptimo para reducir al mínimo tales artefactos³², evaluaciones recientes sugieren que pulir más allá de 2000 μm no necesariamente mejora la calidad espectral quimiométricas predicciones^{33, 34}. Sin embargo, más finamente las muestras de suelo de tierra todavía pueden producir picos de absorbancia (más agudos) mejorado y exposición disminuyó absorbancia variabilidad³³, que se espera en beneficio de sustracciones espectrales. Por otro lado, algunos estudios han encontrado que la molienda (p. ej., a 200 μm) puede inducir más heterogeneidad en la distribución de tamaño de partícula de tamizado estándar (p. ej., 2.000 μm)^35,36. El efecto de esto sobre la calidad espectral es probable depende de objetivos del experimento (p. ej., interpretación de bandas de absorbancia, quimiométricas predicción de fracciones de C) y suelo de propiedades (por ejemplo, textura, mineralogía)²⁹. Se recomienda evaluar efectos del tamaño en espectros de resta para un determinado conjunto de suelos y objetivos. La muestra de suelo tratado el espectro de referencia mineral es probable que tenga tamaño de partícula más fino que el suelo no tratado correspondiente debido a la interrupción de los agregados por el retiro de SOM.

El uso de muestras de suelo (sin diluir) aseado es generalizado en el uso de la espectroscopia de deriva debido a una mayor facilidad de análisis y tasa de rendimiento. Dilución de la muestra se realiza tradicionalmente en muestras de alta pureza mediante sales de haluro de invisible infrarrojo (por ejemplo, NaBr, KBr, KI). Para la caracterización espectroscópica de deriva del componente orgánico de los suelos, sin embargo, dilución de sal de haluro es menos ventajosa. Esto es porque la dilución de las muestras tiende a mejorar la resolución de la absorbancia de los componentes (minerales) dominantes pero no necesariamente los representantes de menores componentes (orgánicos)^5,37. Sin embargo, puede haber beneficios para la dilución de muestras de suelo, que puede evaluarse empíricamente para cada muestra⁵.

Para ilustrar el papel del factor de resta (SF) en la realización de sustracciones espectrales, considerar que los espectros resta obtienen de suelo utilizando el espectro de la tierra de NaOCl oxidado como referencia (figura 3). SF aumenta de 0 a 1, la absorbancia de las bandas correspondientes a minerales disminuyen, en particular minerales superficial O-H en 3.618 cm^-1 y Si-O en 1.880 y 808 cm^-1. Al mismo tiempo, aumenta la absorbancia para las bandas que representan los grupos funcionales orgánicos como alifático C-H extienden a 2.920 cm^-1 y potencialmente amida C-N, N-H y C = C aromático en 1.558 cm^-1. Con el aumento de escala del SF, sin embargo, inversiones de absorbancia minerales como O Si en el 2100-1780 cm^-1 emergen. Como NaOCl oxidación quitó 89% del total SOC en un suelo con 2.2% C (tablas 1, 2), y dado que SOM se estima que 58% C³⁸, puede calcularse un SF teórica de 0.97. Sin embargo, no linealidad absorbancia resultado sobre sustracción de mineral características utilizando este SF (figura 3).

Un enfoque más práctico es determinar operacionalmente el SF basado en la eliminación de una característica de absorción mineral de 'Cancelar' o cero-ing hacia fuera un peak(s) blanco. Las características de Si O de cuarzo-como en 2100-1780 cm^-1 son absorbancia mineral blanco conveniente porque surgen de fundamentales O Si las vibraciones que son menos susceptibles a especular reflexión^14,37. Por ejemplo, en la figura 3, cero-ing de cuarzo O Si en 2.100 - 1.780 cm^-1 sugiere una SF en el rango de 0.7 - 0.8 para ser más conveniente para reducir la absorbancia mineral dominante que el a priori SF de 0.97 se calculó por la diferencia en masa (es decir, SOM quitado) entre las muestras de suelo de dos.

Peligros potenciales en la selección de un SF incluyen inversión y oversubtraction, ambos se evidencia por picos' negativo' que se asemejan a un pico al revés o "W" forma¹⁴, o en caso de fuerte resta, una imagen de espejo del espectro suelo sin tratar. Inversiones no pueden ser posibles evitar en conjunto ya que estas son comunes para Si O a 1.150-800 cm^-1, pero pueden minimizarse. Inversiones deben tenerse como una región no grata para la interpretación de espectros^22,39 , porque en estas regiones la absorbancia puede reflejar cómo se realizó la resta más de lo que la absorción de los componentes, especialmente para menores como por ejemplo OM.

Software espectral que acompaña a espectrómetros FTIR moderno puede ser útil para orientar y ejecutar las restas. La utilidad de este tipo de software se encuentra en ajuste iterativo y en tiempo real del SFs al ver el espectro resultante de la resta. Sin embargo, el valor por defecto SF sugerido por software espectral debe considerarse con precaución porque los criterios del software pueden no ser apropiados para los objetivos del experimento y las muestras como suelos (p. ej., absorción no lineal, inversión de características minerales). Por ejemplo, el software especial utilizado para calcular espectros de resta en la figura 3 (ver la tabla de materiales) sugirió un SF de 1.45, basado en la linealización de línea base en el resultado resta espectro⁴⁰, que falta la objetivo de cero-ing hacia fuera O Si en el 2100-1780 cm^-1 para la interpretación de absorbancia orgánica en 1.800 1.000 cm^-1. Es importante tener en cuenta que el SF sugerido por software también está influenciado por la gama del número seleccionada para la resta ya que el software optimiza una sustracción para la región espectral definida. Beneficios adicionales del software incluyen transformaciones de procesamiento espectral (p. ej., Kubelka-Munk, funciones de la energía) para mejorar la calidad espectral (por ejemplo, las líneas de base lineales) antes de realizar restas.

El espectro de referencia mineral puede contener características de absorbancia influenciados por el método de eliminación de SOM, con consecuencias para la realización e interpretación espectrales sustracciones. Comparación de las diferencias entre los espectros de referencia de minerales sin tratar e incinerados (figura 2) puede ayudar a identificar cuáles de estas características pueden ser debido a artefactos de eliminación de SOM. En contraste con oxidación de NaOCl, intermitente produce cambios en las bandas de absorción que representan los grupos funcionales de minerales, en particular superficie filosilicato y capa intermediaria O-H (3.600 3.700 cm^-1), Al-OH (915 cm^-1) y Si-O (796, 521 cm^-1) . Cuarzo-Si-O bandas (2.100-1,780, 1.159 cm^-1) no mostró cambios marcados en la absorbencia (intensidad o proporción) para cada tratamiento.

Un ejemplo de resta excesiva y el riesgo de artefactos no identificados por el método de eliminación de SOM de elección es demostrados por incineración a 550 ° C en la figura 4. Aunque cero-ing hacia fuera cuarzo-como Si-O en 1.780 2.100 cm^-1 se logra con un SF de 0.76, una destacada inversión en forma de W en 1.100-450 cm^-1 sugiere que la interpretación del espectro resta debe limitarse a > 1.200 cm^-1. Como referencia de espectro fue obtenido por incineración de alta temperatura, pérdida de mineral que superficial OH en 3.600 3.700 cm^-1 (ver figura 2) significa que estos picos agudos son un artefacto que no debe ser un objetivo a cero hacia fuera. Intenta hacerlo probablemente pondrá en peligro otras regiones espectrales. Por ejemplo, no reconocer la función en 3700-3600 cm^-1 como un artefacto podría motivar al usuario a aumentar en el SF para reducir (SF = 1,24) o intento de salida de cero (SF = 1.51) este artefacto a costa de restar demasiado las restantes regiones espectrales, como absorbancia orgánica en 1800-1200 cm^-1 (figura 4).

También es posible restar demasiado el espectro de referencia de minerales, tales como en un intento de mejorar una banda específica sin considerar efectos en otras regiones espectrales (figura 5). Aunque esto puede justificarse por objetivos experimentales (ver discusión), el ejemplo en la figura 5 de mejorar el tramo de C-H alifático en 3000-2800 cm^-1 a toda costa hace que la porción restante de los espectros sea interpretable, incluyendo la región correspondiente a la mayoría de los grupos funcionales orgánicos correspondientes a la caracterización de la SOM en 1.800 1.000 cm^-1. Un indicador de exceso resta es la creciente inversión de características espectrales más allá de Si-O propensas a la inversión de bandas como el SF aumenta de 0,81 a 1,35 a 1,72. Por el contrario, la extirpación incompleta de estas bandas de minerales de destino significa que es probable que el SF insuficiente, como evidencia de la sustracción realizada con un SF de 0.32. Un SF de 0.81 idealmente salidas de cero hacia fuera el destino O Si presenta en 1.780 2.100 cm^-1 minimizando inversiones.

Comparación de espectros de resta calcula a partir de espectros de referencia obtenidos por incineración de alta temperatura y oxidación química indican características comunes por sustracción en 1.750-1.350 cm^-1 atribuibles a grupos funcionales orgánicos, sino también exhiben diferencias debido a la alteración de minerales y potencialmente sacar la cantidad de SOM (figura 6). Tenga en cuenta que un SF similar se obtuvo para sustracciones utilizando una referencia mineral obtenida por incineración (SF = 0.76, figura 4) frente a oxidación de NaOCl (SF = 0.81, figura 5). A un determinado método de eliminación de SOM, las diferencias son visualmente evidentes entre los espectros de la sustracción de materia orgánica y suelos que son menos visibles o ausentes en los espectros del suelo sin tratar (figura 6), correspondiente a C-H alifático (estiramiento) en 2916 cm^-1y cetona y amida C = O con posibles contribuciones de C = C conjugados en 1.647 cm^-1y C-N de la amida N-H en cm 1.568^-1, C-H alifático (curva) a 1.427 cm^-1y fenol o carboxilo C O en 1.275 cm^-1. Es esencial que espectros resta ser entendida como un método operacional para evaluar cambios relativos en la absorbancia que se puede asignar a grupos funcionales orgánicos con ciertamente varían dependiendo de la gama tipo y absorbancia de la muestra (debido a potencialmente superposición de bandas)⁴.

Figura 1. Ilustración de sustracción espectral para mejorar grupos orgánicos utilizando un espectro de fondo del mismo suelo después del retiro de SOM por oxidación química (NaOCl). Se obtuvieron espectros deriva sin dilución de KBr de la muestra de suelo. El suelo es un mólico Xerofluvent bajo uso agrícola en el valle de Sacramento de California (suelo de 22 mg C g^-1 ). Espectros de resta se calcularon con un factor de resta de 1.0. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2. Comparación de espectros de fondo o referencia enriquecida con minerales para realizar restas espectrales obtenidas por diferentes métodos de eliminación de SOM. Un horizonte superficial (A_p) de un Xerofluvent mólico formado de aluviones mixtos en California, Estados Unidos (22 mg C g^-1) se muestran las comparaciones de los suelos tratados y no tratados. Los espectros corresponden el suelo original sin tratamiento (arriba), seguido por los suelos después de tratamientos de eliminación de SOM de oxidación química (NaOCl) (medio) y de combustión de alta temperatura (550 ° C) (abajo). Se obtuvieron espectros deriva en muestras de suelo sin dilución de KBr. Cajas gris resaltan característico de bandas de absorción mineral de espectros de suelo, centrada en 3620 cm^-1, 1870 cm^-1 y 800 cm^-1. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3. Ejemplo de incrementar el factor de resta (SF) en intervalos de 0,1 de 0.1 (mínimo resta) 1.0 (resta igual de original espectro de suelos y espectro de la referencia). El SF pesos el grado en que el espectro de referencia (suelo A después del calentamiento a 550 ° C para 3 h) se resta del espectro original de (no tratada) suelo (suelo A). A medida que disminuye el factor de resta, bandas de absorción correspondientes a minerales aumentan (3.618 cm^-1, 1.880 cm^-1, 808 cm^-1), y bandas que representan compuestos orgánicos disminuyen (2.920 cm^-1, 1.558 cm^-1, 1.240 cm^-1 ). Se obtuvieron espectros deriva en muestras de suelo sin dilución de KBr. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4. Ejemplos de resta de exceso y el riesgo de artefactos no identificados por el método de eliminación de SOM (incineración a 550 ° C). Incluso con cero-ing hacia fuera cuarzo-como Si-O en 1.780 2.100 cm^-1 (caja gris) (SF = 0.76), una inversión prominente en forma de W en 1100-450 cm^-1 (flechas) sugiere la interpretación del espectro resta debe limitarse a > 1200 cm^-1. Puesto que el espectro de la referencia se obtuvo por incineración de alta temperatura (550 ° C), pérdida de minerales OH superficial en 3.700-3600 cm^-1 (caja gris) (ver figura 2) indica que este pico es un probable un artefacto. No reconocer la función en 3.600 3.700 cm^-1 como un artefacto puede engañar al usuario para aumentar la SF para reducir (SF = 1,24) o cero (SF = 1.51) esta característica espectral a expensas de oversubtracting las restantes regiones espectrales, incluyendo orgánicos absorbancia a 1.800-1.200 cm^-1. Artefactos adicionales de incineración incluyen una característica a 2300 cm^-1 (flecha). Se obtuvieron espectros deriva en muestras de suelo sin dilución de KBr. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5. Ejemplos de espectros de ideal y no ideal de resta utilizando una referencia mineral obtienen por oxidación de NaOCl. Insuficiente resta (baja SF = 0.32) significa que absorbancia mineral prominente (caja gris) todavía está presente. Aumento de la SF a cero hacia fuera cuarzo-como SiO en 1.780 2.100 cm^-1 (SF = 0.81) establece un equilibrio entre los criterios de eliminación de este mineral absorbancia como un proxy para minerales superposición en 1.800 1.000 cm^-1, minimizando las inversiones de Si-O < 1.100 cm ^-1y el mantenimiento de una línea de base lineal. En un intento de aumentar el C-H-tramo alifático en 2.800 3.000 cm^-1, el SF se puede aumentar (a 1.35 o 1,72), pero esto se traduce en oversubtraction de diferentes grados. Espectros se recolectaron muestras de aseado (sin dilución de KBr) por espectroscopia de deriva. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6. Junto a comparación de los espectros de la deriva de alta (top) y los suelos de materia orgánica bajo (abajo) mostrando el potencial de sustracciones espectrales para mejorar la interpretación de absorbancia orgánico en comparación con los espectros de suelo original. Diferencias en la absorbancia correspondiente a bandas de absorción orgánica (línea discontinua) y minerales (caja gris) son evidentes entre suelos SOM de alta y bajos o entre los tres set de espectros: los espectros de los suelos (no tratados) originales y espectros obtenidos por restando una referencia mineral desde el espectro de suelo sin tratar, utilizando un suelo enriquecido con minerales para el espectro de referencia de minerales obtenido por combustión térmica ('cenizas') o por oxidación química. Absorbancia orgánica que difieren entre altas y bajas muestras SOM puede atribuirse a alifático C-H (2.916 cm^-1), cetona o amida C = O con posibles contribuciones de un C = C conjugados (1.647 cm^-1), amida N C y N-H o (posible) C = C aromático 1.568 cm^-1), C-H alifático (1.427 cm^-1), y carboxilo, fenol C-oh (1.275 cm^-1). Los suelos son desde el horizonte de A_p de Entisols formados de aluviones mixtos en el valle de Sacramento (California, USA). Espectros se recolectaron muestras de aseado (sin dilución de KBr). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Tabla 1. Propiedades de suelos utilizados para demostrar métodos de sustracción espectral mejorar la caracterización de la MOS usando la espectroscopia deriva. Los suelos son de mineralogía similar pero exhiben diferencias en la concentración de materia orgánica. Se muestrearon suelos del horizonte A_p de entisoles formado de aluviones mixtos en el Sacramento Valley de California, Estados Unidos.

Tabla 2. Ejemplo de diferentes tasas de eliminación de la MOS por combustión y oxidación química. Las muestras de suelo tratadas para eliminar la materia orgánica se utilizan para la adquisición de un espectro de referencia enriquecida con minerales para realizar restas espectrales para mejorar la caracterización de la composición del grupo funcional SOM usando Espectroscopia de dispersión.

El método de eliminación de SOM lleva dos consideraciones: 1) la cantidad de SOM eliminado y artefactos 2) absorbancia en el mineral resultante espectro de referencia. Es afortunadamente posible — y posiblemente necesaria, para identificar y cantidad de estos temas para evitar interpretaciones sesgadas de la composición de la MOS del espectro resultante de la resta. Idealmente, restas espectrales emplearía un espectro de referencia sólo mineral para producir un espectro de SOM. 'puro' En realidad, el espectro resultante de la resta exhibe absorbancia correspondiente a SOM que son mejoradas en relación con el espectro original de suelo (sin tratar). Esto es porque la absorción no lineal de componentes minerales en muestras de suelo evita la sustracción completa de absorbancia minerales todos. Artifactual absorbancia mineral o una extirpación incompleta de SOM limita la interpretación de características de absorbancia específica o la interpretación de la piscina total de SOM, respectivamente.

Como lo demuestran los ejemplos mostrados aquí, los dos métodos comunes para la eliminación de SOM para obtener espectros de referencia de minerales (combustión térmica o incineración y oxidación química) tienden a generar una relación inversa entre el grado de eliminación de SOM y artefactos espectrales. Estos tienen distintas consecuencias para la interpretación de espectros de resta. Por la misma razón que se utiliza en la pérdida por método de ignición (LOI) para estimar contenido SOM, intermitentes de alta temperatura (≥ 350 ° C) elimina casi todos SOM pero es probable que alteran estructuras minerales cristalinas y así producir cambios en las bandas de absorción mineral. Como se ilustra aquí, estos manifiestan como artefactos en el espectro de resta si difieren las contribuciones espectrales de los minerales antes y después de intermitentes. La sensibilidad térmica de los minerales, que puede ser mineral específica, obliga a un compromiso sobre la utilidad de sustracciones espectrales calculados con espectros de referencia obtenidos por incineración, especialmente a altas temperaturas (por ejemplo, 550 ° C). Alteraciones minerales específicos de temperatura tipo y cenizas minerales incluyen deshidroxilación, capa intermediaria colapso y deshidratación^41,42,43y se han documentado en los espectros de los suelos de diversa mineralogía ^{10 , 28 , 44 , 45}.

Puede utilizarse la información sobre la mineralogía de una muestra de suelo previamente para determinar una temperatura de incineración que evita o minimiza la alteración mineral (p. ej., colapso capa intermediaria de la caolinita en o por encima de 350 ° C). Artefactos de minerales pueden identificarse y anticipados al someter una muestra de suelo a intermitente en diferentes temperaturas y comparar los espectros resultantes con los espectros del suelo sin tratamiento y normas de mineral puro^10,46. También uno puede restringir la mineralogía conjunto muestra para mantener artefactos de resta que el resultado de constante intermitente a través de muestras de suelo. Por último, temperaturas más bajas intermitentes (por ejemplo, 350 ° C) pueden utilizarse para mejorar algunas bandas orgánico^10,47. Similar a oxidaciones químicas, el uso de temperaturas más bajas generalmente viene en un coste inferior²⁸ (tabla 2) y eliminación de SOM potencialmente selectiva¹⁰ .

Oxidaciones químicas son en general menos probabilidad de causar alteración mineral, en particular de filosilicatos, pero pueden afectar otras fracciones minerales como óxidos de hierro (hidr). Si se conoce, la mineralogía de las muestras de suelo se debe considerar al seleccionar un oxidante. Por ejemplo, hipoclorito de sodio puede eliminar cantidades relativamente altas de SOM con mínima o no la disolución de óxidos minerales, en contraste con otros agentes (p. ej., peróxido de hidrógeno) oxidante^{48,49,50 , 51}. se espera que estos efectos dependen de la mineralogía o SOM (p. ej., una alta proporción de materia orgánica mineral determinada puede ser más resistente a oxidaciones algunos pero no otros).

Cero-ing a bandas minerales objetivo es una mejor estrategia que depender de software calcula o a priori SFs es que estos pueden necesitar ser ajustado si bandas mineral blanco no se quitan completamente. Como esto es común para las bandas de minerales debido a phyllosilicate altas concentraciones en las muestras de suelo y así no lineal absorbancia en el espectro (p. ej., estiramiento O Si en 1.100-950 cm^-1)²², especialmente para la práctica generalizada de analizar muestras limpias (sin halogenuros sal dilución), el ajuste del SF deberían estudiarse para minimizar bandas minerales según objetivos experimentales.

Sustracciones espectrales ofrecen una notable mejora en la capacidad de los espectros de suelo a utilizar para interpretar grupos funcionales orgánicos que componen SOM por mejorar la interpretabilidad de absorbancia orgánico en regiones con absorbancia minerales superpuesto. Bandas incluso orgánicos aunque para ser relativamente libre de minerales pueden beneficiarse de sustracciones espectrales. Por ejemplo, el estiramiento C-H alifático en 2.800 3.000 cm^-1 se considera que la banda orgánica menos confundido de mineral en el suelo espectros²², pero su resolución aún puede mejorarse notablemente con restas espectral⁵². Desafíos a la interpretación de los espectros FTIR de una muestra compleja químicamente como SOM no debe ser combinado con la limitación del método o sus modificaciones (por ejemplo, restas) debido a tal complejidad es un atributo inherente de la MOS, que también desafía a otros métodos espectroscópicos (p. ej., resonancia magnética nuclear espectroscopia)^1,5.

Sustracciones espectrales ofrecen una estrategia única para las restricciones de dirección inherentes al análisis espectroscópico de SOM derivados de predominio mineral de las muestras de suelo y con fuerte complementariedad con otros métodos con sus propias limitaciones distintas^{5, 14}. Por ejemplo, un enfoque independiente para mejorar el análisis de espectroscopía FTIR de SOM es el tratamiento previo de los suelos con ácido fluorhídrico (HF) para eliminar la mayoría del componente mineral. Puesto que la desmineralización de las muestras de suelo es rutina para análisis espectroscópico de NMR, el mismo suelos tratados con HF a menudo también son analizados por espectroscopia FTIR. Sin embargo, la desmineralización con IC puede generar pérdidas significativas de SOM que comprometen su utilidad como un método independiente^53,54. Por ejemplo, casi un tercio de SOM del suelo A (tablas 1 y 2) fue quitado durante tratamiento HF⁵.

Es importante señalar que la utilidad de sustracciones para análisis de suelos es para mejorar el potencial orgánicos grupos de interés en un determinado wavenumber(s) en lugar de ceder una sustracción completa de toda interferencia mineral absorbancia^{55, 56,57,58}. Por esta razón, restas pueden ser más o menos adecuados para determinadas regiones espectrales. Nguyen et al. ⁴ reconoce que restas eran propensos a ser más útiles para mejorar la banda orgánica en 1.800-1.600 cm^-1, que Reeves III²² diagnosticada como una región espectral que restas exactos fueron posibles incluso con artefactos de espectro de referencia obtenido por incineración de alta temperatura. Absorbancia de Si-O minerales en esta región resta con precisión, en contraste con otras regiones (por ejemplo, 1.000-400 cm^-1) debido a la absorción no lineal y las inversiones de grupos minerales como O Si a 1.050-980 cm^{-1 37 ,59}.

Una zona potencialmente fructífera de trabajo futuro es sistemáticamente dirección las propiedades del suelo que implica artefactos muestra específica introducidas por el método de eliminación de SOM. El principal desafío a sustracciones espectrales es la dificultad de obtener un espectro de referencia de minerales que tiene casi o total eliminación de SOM todavía mínima o no artefactos procedentes de la eliminación de SOM. Los métodos actuales de incineración de alta temperatura y oxidación química engendran una relación inversa entre estos dos objetivos. Identificación de artefactos de mineralogía específica detectables en espectros FTIR en toda una gama de SOM las condiciones de extracción y tipos de suelo, así como estándares de mineral puros, sería un primer paso hacia el establecimiento de recomendaciones específicas de suelo²². Métodos alternativos de eliminación de SOM todavía tienen que ser investigadas sistemáticamente. Promesa de los métodos de extracción incluyen intermitentes de baja temperatura (a menudo realizadas bajo presión baja) y oxidaciones químicas, peróxido de hidrógeno y sodio peroxodisulfato¹⁴.

Espectros de suelos desmineralizadas utilizando HF pueden utilizarse para comparar espectros resta obtenidos por diversos métodos. HF puede ser utilizado para disolver y eliminar la mayoría del componente mineral de las muestras de suelo, obtención de una muestra enriquecida con SOM. Puesto que el espectro de una muestra de suelo tratada con HF debe en teoría ser similar a un espectro de la sustracción del mismo suelo utilizando un espectro de referencia de minerales obtenido por el completo retiro del SOM, comparando los espectros de la obtenida por desmineralización HF versus resta MOS pueden usarse bandas de absorbancia de validación cruzada, identificar objetos y aumentar la confianza en las asignaciones espectrales⁵, en particular en las regiones propensas a los artefactos de la resta a través de la inversión (< 1.200 cm^-1). Sin embargo, remoción incompleta o selectiva de componentes minerales y orgánicos durante el tratamiento de la HF significa que los espectros de los suelos tratados HF pueden no ofrecer un espectro 'objetivo' de la MOS, sólo una comparación operacional que, no desemejante de sustracciones espectrales, deben considerarse cuidadosamente a la luz de posibles artefactos.

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecemos a la dirección del Dr. Randy Southard sobre oxidación de NaOCl y varias discusiones de sustracciones espectrales con Dr. Fungai F.N.D. Mukome.